Tổng quan nghiên cứu

Kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè có chiều dài 8.692 m, chảy qua các khu vực trung tâm của Thành phố Hồ Chí Minh, từng tiếp nhận lưu lượng nước thải khổng lồ lên tới 92.000 m³/ngày từ hơn 1,2 triệu dân cư trong lưu vực rộng 33 km². Áp lực xả thải từ 550.000 m³ nước thải sinh hoạt và 650.000 m³ nước thải công nghiệp mỗi ngày trên toàn thành phố đã khiến hệ thống kênh rạch nội đô suy thoái nghiêm trọng. Tại thời điểm khảo sát, nguồn nước kênh rơi vào tình trạng ô nhiễm đặc biệt nặng nề với lượng oxy hòa tan chạm đáy ở mức 0 đến 1,50 mg/l, chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) dao động từ 104,5 đến 665 mg/l, độ dẫn điện đạt 580 µs/cm, nước có màu đen đặc và bốc mùi hôi thối do tích tụ các khí độc hại như methane và hydro sulfide.

Nghiên cứu này được tiến hành nhằm điều tra thành phần loài, phân lập và nuôi thử nghiệm khả năng làm sạch nước thải của ngành Tảo lục (Chlorophyta) và ngành Tảo mắt (Euglenophyta) tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi là đánh giá mức độ suy giảm ô nhiễm, phục hồi các chỉ số thủy lý hóa về trạng thái cân bằng sinh thái, đồng thời xác định tiềm năng tái sử dụng sinh khối tảo cho nông nghiệp và thủy sản. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp xử lý sinh học chi phí thấp, giúp hạ nồng độ COD xuống dưới 20 mg/l theo quy chuẩn môi trường, nâng chỉ số oxy hòa tan lên 7 đến 8 ppm, chuyển đổi chất lượng nước từ cấp ô nhiễm nghiêm trọng (polysaprobe 6/6) về trạng thái an toàn sinh học (mesosaprobe 4/6).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết tự làm sạch sinh học của thủy vực (Biological Self-purification) và hệ thống phân loại chất lượng nước Saprobic của Viện Sinh học Thủy vực Nội địa. Theo cơ chế này, tảo đóng vai trò là sinh vật tự dưỡng sản xuất oxy thông qua quá trình quang hợp, cung cấp dưỡng khí liên tục cho hệ vi sinh vật hiếu khí phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp như protein, lipid và carbohydrate thành các dạng muối khoáng đơn giản. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng mô hình cộng sinh tảo - vi khuẩn (Algal-Bacterial Symbiosis) nhằm loại bỏ triệt để các ion dinh dưỡng nitơ và phospho dư thừa, hạn chế tối đa nguy cơ tái ô nhiễm nguồn nước.

Hệ thống khái niệm chính trong luận văn bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD) đại diện cho lượng chất khử và hợp chất hữu cơ cần oxy hóa; Oxy hòa tan (DO) phản ánh khả năng duy trì sự sống thủy sinh vật; Độ dẫn điện (Ec) biểu thị nồng độ tổng ion khoáng hòa tan; Điện thế oxy hóa khử (Eh) xác định trạng thái khử hoặc oxy hóa của môi trường nước; và Chỉ số Saprobic phân cấp độ bẩn từ ô nhiễm rất nặng (Polysaprobe) đến ô nhiễm vừa (Mesosaprobe).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập tổng cộng 334 mẫu thực vật phù du bằng lưới vớt chuyên dụng tại các thủy vực tự nhiên thuộc Quận 5, Quận 11, Quận Bình Thạnh và Huyện Bình Chánh, bao gồm các hệ sinh thái ao cá, ao rau muống, ao cầu và ruộng lúa. Mẫu nước thải thí nghiệm được lấy tại 3 vị trí trọng yếu trên tuyến kênh vào thời điểm triều rút bẩn nhất: Cầu Lê Văn Sỹ (thượng nguồn), Cầu Kiệu (trung nguồn) và Cầu Thị Nghè (hạ nguồn). Việc chọn mẫu đại diện ở nhiều hệ sinh thái khác nhau nhằm tìm kiếm các chủng vi tảo bản địa có khả năng thích nghi cao nhất với môi trường ô nhiễm phức tạp.

Phương pháp phân tích thực nghiệm được triển khai thông qua việc phối trộn nước thải từ 3 điểm thu mẫu, để lắng tự nhiên 1 đến 3 ngày, sau đó pha loãng thành 5 dải nồng độ: 100%, 70%, 50%, 30% và 10%. Mỗi nồng độ được bố trí lặp lại trong 3 bình tam giác thể tích 200 ml, cấy 10 ml dịch giống từ 4 nguồn tự nhiên, nuôi dưới điều kiện ánh sáng tự nhiên có che chắn và theo dõi liên tục các chỉ số lý hóa. Phương pháp chuẩn độ pemanganat trong môi trường axit sunfuric và axit oxalic được lựa chọn để xác định chính xác chỉ số COD, kết hợp máy đo chuyên dụng để kiểm soát pH, DO và Ec hàng ngày. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm diễn ra qua hai đợt nghiên cứu tập trung: đợt 1 từ ngày 25/11/2003 và đợt 2 từ ngày 24/3/2004.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát tự nhiên tại các thủy vực Thành phố Hồ Chí Minh đã ghi nhận tổng cộng 334 loài tảo, trong đó ngành Tảo lục chiếm ưu thế lớn nhất với 121 loài (tỷ lệ 36,22%), Tảo Silic đạt 100 loài (tỷ lệ 29,94%), Tảo lam có 64 loài (tỷ lệ 19,16%) và Tảo mắt ghi nhận 49 loài (tỷ lệ 14,67%). Ngược lại, tại dòng nước ô nhiễm của kênh chỉ phát hiện 86 loài sinh sống, với Tảo Silic chiếm 40,71% (35 loài), Tảo lục chiếm 30,23% (26 loài), Tảo lam đạt 23,25% (20 loài) và Tảo mắt chỉ xuất hiện 5,81% (5 loài).

Quá trình nuôi cấy thực nghiệm đã kích hoạt sự phát triển của 156 loài tảo tham gia xử lý nước thải, đạt tỷ lệ 46,70% so với tổng số loài ngoài tự nhiên. Trong môi trường nước thải, ngành Tảo lục (Chlorophyta) bộc lộ sức sống vượt trội khi tăng tỷ trọng lên tới 47,43% với 74 loài phân lập thành công. Tảo Silic chiếm 27,56% (43 loài), Tảo lam chiếm 18,95% (29 loài), và Tảo mắt chiếm 6,42% (10 loài). Đa số các loài tảo mọc lên thuộc bộ Nguyên cầu tảo (Chlorococcales), có khả năng chịu tải ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng ở mức độ trung bình rất tốt.

Về các chỉ số thủy lý hóa, hàm lượng DO ban đầu từ mức nghèo kiệt 1,50 mg/l đã tăng mạnh mẽ trong quá trình nuôi cấy, đạt đỉnh từ 10 đến 14 ppm (tương đương độ bão hòa 120% đến 180%) vào ngày thứ 3 đến thứ 5 trước khi ổn định ở mức 6 đến 8 ppm sau xử lý. Chỉ số COD giảm từ 104,5 mg/l xuống dưới 20 mg/l ở tất cả các nồng độ thử nghiệm, trong đó các nồng độ từ 10% đến 50% đạt mức COD rất thấp từ 6,5 đến 9,8 mg/l. Giá trị pH ban đầu có tính axit nhẹ (5,3 đến 6,9) đã tăng vọt lên 9,0 đến 9,6 vào thời điểm quang hợp cực đại, sau đó hạ dần về mức trung tính hơi kiềm từ 7,2 đến 8,2. Độ dẫn điện Ec cũng giảm liên tục từ 400 đến 580 µs/cm xuống ngưỡng an toàn từ 90 đến 200 µs/cm.

Thảo luận kết quả

Diễn biến của các thông số chất lượng nước có thể được mô tả rõ nét thông qua các đồ thị động học quang hợp. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa DO và pH thể hiện một đường cong đồng pha dạng chuông: khi mật độ tế bào vi tảo gia tăng, quá trình hấp thụ khí cacbonic và giải phóng oxy đẩy cả hai giá trị lên đỉnh điểm ở ngày nuôi thứ 3 và thứ 4, sau đó hạ dần khi hệ sinh thái đạt trạng thái cân bằng. Biểu đồ thanh biểu thị COD cho thấy độ dốc suy giảm rõ rệt, chứng minh hệ vi sinh vật và tảo đã khoáng hóa gần như toàn bộ lượng hợp chất hữu cơ hòa tan.

Hiệu suất xử lý nước thải đạt 46,70% tổng số loài tự nhiên hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế tại hội nghị Geneve, khẳng định nguồn tảo bản địa tại chỗ có tiềm năng xử lý môi trường vô cùng to lớn. Tảo lục đóng vai trò chủ đạo nhờ khả năng tăng sinh khối nhanh và tạo nguồn oxy dồi dào, trong khi Tảo mắt chiếm tỷ lệ thấp do nguồn nước kênh thiếu các gốc hữu cơ phân hủy từ phân chuồng. Sự hỗ trợ từ các nhóm động vật nguyên sinh (Protozoa) và giáp xác nhỏ như trùng bánh xe (Rotatoria), râu ngành (Cladocera) đã gia tăng tốc độ làm trong nước, loại bỏ cặn lơ lửng và đưa màu nước từ đen đục sang trong tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quản lý môi trường đô thị, các giải pháp trọng tâm cần được triển khai như sau:

  1. Xây dựng và vận hành hệ thống hồ sinh học hiếu khí nhiều ngăn kết hợp nuôi cấy Tảo lục (Chlorophyta) để xử lý sơ bộ nước thải kênh rạch với công suất thiết kế 50.000 đến 92.000 m³/ngày, hướng tới mục tiêu duy trì COD dưới 20 mg/l và DO đạt trên 6 mg/l. Kế hoạch do Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng Công ty Thoát nước Đô thị thực hiện trong giai đoạn 2026 - 2028.
  2. Thiết lập ngân hàng lưu trữ nguồn gen và nhân khối sinh học các chủng tảo bản địa có khả năng xử lý ô nhiễm cao (thuộc bộ Chlorococcales) tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành, bảo đảm cung ứng hơn 70 chủng vi tảo có hoạt lực cao trong vòng 12 tháng, do các Viện nghiên cứu và Trường Đại học đảm trách.
  3. Ứng dụng công nghệ thu hồi sinh khối vi tảo sau xử lý bằng phương pháp lắng kết hợp lọc màng để sản xuất phân bón hữu cơ sinh học và thức ăn bổ sung cho tôm cá, đạt tỷ lệ thu hồi trên 85% sinh khối và cắt giảm 30% chi phí vận hành xử lý nước thải, giao các hợp tác xã nông nghiệp công nghệ cao triển khai định kỳ theo quý.
  4. Triển khai lắp đặt mạng lưới quan trắc tự động liên tục đối với các chỉ số DO, pH, COD và Ec tại 100% các cửa xả công nghiệp dọc tuyến kênh có lưu lượng trên 50 m³/ngày, hoàn thiện trước quý IV/2027 dưới sự giám sát chặt chẽ của Chi cục Bảo vệ Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Sinh thái học, Khoa học Môi trường: Cung cấp nguồn tài liệu học thuật toàn diện về danh lục 334 loài tảo phân bố tại Thành phố Hồ Chí Minh, phương pháp phân lập vi tảo và kỹ thuật đánh giá động học xử lý nước thải bằng thực vật phù du.
  2. Kỹ sư công nghệ môi trường và vận hành trạm xử lý nước thải: Ứng dụng dữ liệu thực nghiệm về các dải nồng độ pha loãng từ 10% đến 100%, tỷ lệ phối trộn giống 10 ml/200 ml và quy trình kiểm soát các thông số DO, pH để thiết kế các bể oxy hóa sinh học hiệu quả cao.
  3. Cán bộ quản lý tại các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Sử dụng các số liệu quan trắc thực địa và quy luật diễn thế sinh thái làm căn cứ khoa học cho việc quy hoạch lưu vực thoát nước, cải tạo các dòng kênh ô nhiễm nội đô.
  4. Doanh nghiệp phát triển nông nghiệp công nghệ cao và công nghệ sinh học: Khai thác quy trình phân lập các dòng tảo giàu dinh dưỡng phục vụ mục tiêu kép vừa làm sạch nước thải vừa sản xuất phân bón hữu cơ và thức ăn thủy sản giàu protein.

Câu hỏi thường gặp

Ngành Tảo lục (Chlorophyta) đóng vai trò chính như thế nào trong quy trình làm sạch nước thải?
Tảo lục chiếm tới 47,43% tổng số loài phân lập trong môi trường nuôi cấy (74 loài). Chúng tiến hành quang hợp mạnh mẽ, tạo ra lượng oxy sinh học dồi dào giúp tăng DO từ 1,50 mg/l lên 10 đến 14 ppm, từ đó thúc đẩy vi sinh vật hiếu khí phân hủy chất hữu cơ và hạ chỉ số COD từ 104,5 mg/l xuống dưới 20 mg/l.

Tại sao chỉ số DO và pH lại tăng đột biến vào ngày nuôi cấy thứ 3 đến thứ 5?
Vào giai đoạn ngày thứ 3 đến ngày thứ 5, quần thể vi tảo thích nghi hoàn toàn với môi trường dinh dưỡng và bước vào pha tăng trưởng lũy thừa. Quá trình quang hợp diễn ra cực đại đã giải phóng lượng lớn dưỡng khí DO (đạt 120% đến 180%) đồng thời hấp thụ mạnh ion hydro cacbonat, làm giảm tính axit và đẩy pH nước tăng cao lên mức 9,0 đến 9,6.

Nước thải sau quá trình xử lý bằng tảo có đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường không?
Toàn bộ các nồng độ thí nghiệm từ 10% đến 100% sau khi xử lý đều có chỉ số COD giảm xuống dưới 20 mg/l, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn xả thải môi trường Việt Nam. Nước chuyển từ trạng thái polysaprobe cực bẩn (6/6) về trạng thái mesosaprobe bẩn vừa (4/6), nước trong, hết mùi hôi và an toàn cho thủy sinh vật phát triển.

Tại sao ngành Tảo mắt (Euglenophyta) chỉ chiếm tỷ lệ thấp trong quá trình nuôi cấy?
Mặc dù ngoài tự nhiên ghi nhận 49 loài Tảo mắt (chiếm 14,67%), nhưng trong môi trường nuôi cấy chỉ phân lập được 10 loài (chiếm 6,42%). Nguyên nhân do nguồn nước kênh chủ yếu tiếp nhận nước thải đô thị pha loãng, chứa ít hàm lượng chất hữu cơ đặc thù từ phân chuồng hoặc phân bắc vốn là giá thể dinh dưỡng ưa thích của Tảo mắt.

Phương pháp xử lý sinh học bằng tảo có ưu điểm kinh tế và kỹ thuật gì so với hóa lý?
Phương pháp này tận dụng năng lượng mặt trời và nguồn giống bản địa có sẵn, giúp tiết kiệm từ 40% đến 60% chi phí hóa chất vận hành. Quá trình xử lý không tạo ra bùn thải hóa học độc hại, không gây ô nhiễm thứ cấp, đồng thời cho phép thu hồi sinh khối tảo giá trị cao để phục vụ sản xuất phân bón và thức ăn thủy sản.

Kết luận

  • Điều tra toàn diện xác định 334 loài tảo ngoài tự nhiên tại Thành phố Hồ Chí Minh và 86 loài tồn tại trong môi trường nước kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè.
  • Phân lập thành công 156 loài vi tảo có khả năng xử lý nước thải, trong đó Tảo lục (Chlorophyta) giữ vai trò chủ đạo với 74 loài (chiếm 47,43%).
  • Nâng cao chất lượng nước vượt bậc: DO tăng từ 1,50 mg/l lên 7 đến 8 ppm sau xử lý, COD giảm từ 104,5 mg/l xuống dưới 20 mg/l, chuyển hóa nước từ cấp 6/6 về cấp 4/6 an toàn.
  • Đề xuất lộ trình 2026 - 2028 ứng dụng hồ sinh học quy mô 50.000 đến 92.000 m³/ngày kết hợp thu hồi 85% sinh khối vi tảo phục vụ kinh tế tuần hoàn.
  • Các đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp công nghệ sinh học cần sớm hợp tác triển khai mô hình hồ sinh học thực nghiệm quy mô lớn nhằm tối ưu hóa chi phí và bảo vệ bền vững tài nguyên nước đô thị.