Tổng quan nghiên cứu

Quá trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp giàu chất dinh dưỡng là một thách thức lớn đối với môi trường hiện nay. Theo ước tính, việc xử lý hiệu quả các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải góp phần giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ nguồn nước và nâng cao chất lượng cuộc sống. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng/tối đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng cũng như sản xuất sinh khối trong hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp bùn hoạt tính trong photobioreactor (PBR). Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 9/2020 đến tháng 1/2021.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ COD/N khác nhau (1:1, 5:1, 10:1) và chu kỳ sáng/tối nhân tạo đến năng suất sinh khối vi tảo và hiệu quả loại bỏ COD, tổng nitơ (TN) và tổng photpho (TP) trong nước thải tổng hợp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường, đồng thời tận dụng sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sinh học có giá trị kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về quá trình bùn hoạt tính (Activated Sludge Process - ASP) và mô hình quang sinh hóa trong photobioreactor (PBR). ASP là quá trình sinh học phổ biến trong xử lý nước thải, tập trung vào việc loại bỏ các chất hữu cơ và dinh dưỡng thông qua hoạt động của vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí. Tuy nhiên, ASP truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng do yêu cầu cung cấp oxy liên tục.

Mô hình PBR ứng dụng ánh sáng nhân tạo hoặc tự nhiên để nuôi cấy vi tảo kết hợp với bùn hoạt tính, tận dụng khả năng quang hợp của vi tảo để cung cấp oxy cho vi khuẩn, từ đó giảm chi phí sục khí và tăng hiệu quả xử lý. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tỷ lệ COD/N: tỷ lệ giữa nhu cầu oxy hóa hóa học (COD) và tổng nitơ (N) trong nước thải, ảnh hưởng đến sự phát triển của vi tảo và vi khuẩn.
  • Chu kỳ sáng/tối: thời gian chiếu sáng và tối trong ngày, ảnh hưởng đến quang hợp và sinh trưởng của vi tảo.
  • Sinh khối vi tảo: tổng lượng vật chất sống của vi tảo, được đo bằng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và hàm lượng chlorophyll-a.
  • Hiệu quả loại bỏ COD, TN, TP: tỷ lệ phần trăm các chất này được loại bỏ khỏi nước thải sau quá trình xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng ba photobioreactor vận hành theo chế độ mẻ (batch) với tỷ lệ COD/N lần lượt là 1:1, 5:1 và 10:1, không có sục khí. Mỗi PBR được vận hành trong 7 ngày với chu kỳ sáng/tối nhân tạo 12/12 giờ. Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm nồng độ COD, TN, TP, pH, oxy hòa tan (DO), tổng chất rắn lơ lửng (TSS), chlorophyll-a và sinh khối khô.

Cỡ mẫu gồm ba PBR với ba tỷ lệ COD/N khác nhau, mỗi PBR được vận hành lặp lại nhiều lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm phân tích thống kê mô tả, so sánh hiệu quả xử lý giữa các tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng/tối, đồng thời đánh giá mối quan hệ giữa các thông số môi trường và sinh trưởng vi tảo.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 4 tháng, từ khởi động hệ thống, thu thập dữ liệu đến phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N đến sản xuất sinh khối và hiệu quả xử lý: Tỷ lệ COD/N = 5:1 cho năng suất sinh khối cao nhất, đạt 132,5 mg/L/ngày, vượt trội so với các tỷ lệ 1:1 và 10:1. Hiệu quả loại bỏ COD, TN và TP tại tỷ lệ này lần lượt là 88,33%, 90,17% và 95%, cao hơn khoảng 15-20% so với các tỷ lệ còn lại.

  2. Ảnh hưởng của chu kỳ sáng/tối: Chu kỳ sáng/tối 12/12 giờ nhân tạo giúp duy trì sinh khối khô đạt 835 mg/L sau 7 ngày vận hành, với hiệu quả loại bỏ COD đạt 82,14%, TN 74,45% và TP 82%. Chu kỳ này tối ưu hóa quá trình quang hợp và trao đổi khí trong PBR.

  3. Tỷ lệ COD/N ảnh hưởng đến thành phần sinh khối: Ở tỷ lệ COD/N = 5:1, vi tảo chiếm ưu thế hơn vi khuẩn trong sinh khối, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình làm giàu sinh khối vi tảo. Tỷ lệ này cũng hỗ trợ quá trình làm giàu sinh khối vi sinh vật hiệu quả hơn so với tỷ lệ 1:1 và 10:1.

  4. Các thông số môi trường: pH dao động trong khoảng 7-9 và DO duy trì ở mức cao trong quá trình vận hành, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi tảo và vi khuẩn hiếu khí. Sự ổn định của các thông số này góp phần nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến tỷ lệ COD/N = 5:1 đạt hiệu quả cao là do cân bằng giữa nguồn carbon và nitơ phù hợp cho cả vi tảo và vi khuẩn phát triển. Tỷ lệ này thúc đẩy quá trình quang hợp của vi tảo, cung cấp oxy cho vi khuẩn bùn hoạt tính, từ đó tăng hiệu quả xử lý COD và dinh dưỡng. Kết quả này tương đồng với một số nghiên cứu gần đây cho thấy tỷ lệ COD/N trong khoảng 4-6 là tối ưu cho hệ thống nuôi cấy vi tảo-bùn hoạt tính.

Chu kỳ sáng/tối 12/12 giờ giúp cân bằng giữa quang hợp và hô hấp, tránh hiện tượng quá tải ánh sáng hoặc thiếu sáng, từ đó duy trì sự phát triển ổn định của vi tảo. Các biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng sinh khối theo thời gian và hiệu quả loại bỏ COD, TN, TP theo tỷ lệ COD/N sẽ minh họa rõ nét hơn các phát hiện này.

Việc vận hành PBR không sục khí với tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng/tối phù hợp giúp giảm chi phí năng lượng so với hệ thống ASP truyền thống, đồng thời tận dụng sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sinh học có giá trị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh tỷ lệ COD/N trong nước thải đầu vào: Khuyến nghị duy trì tỷ lệ COD/N khoảng 5:1 để tối ưu hóa sản xuất sinh khối và hiệu quả xử lý chất hữu cơ, nitơ và photpho. Chủ thể thực hiện là các nhà máy xử lý nước thải, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

  2. Áp dụng chu kỳ sáng/tối nhân tạo 12/12 giờ trong PBR: Để duy trì sự phát triển ổn định của vi tảo và vi khuẩn, nên sử dụng hệ thống chiếu sáng nhân tạo với chu kỳ này. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm và nhà máy xử lý nước thải, thời gian áp dụng ngay khi triển khai.

  3. Vận hành PBR không sục khí kết hợp vi tảo và bùn hoạt tính: Giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu quả xử lý bằng cách tận dụng oxy do vi tảo cung cấp. Chủ thể thực hiện là các nhà nghiên cứu và kỹ sư môi trường, thời gian áp dụng trong giai đoạn thử nghiệm và mở rộng quy mô.

  4. Theo dõi và điều chỉnh các thông số môi trường: Đảm bảo pH duy trì trong khoảng 7-9 và DO ở mức phù hợp để hỗ trợ sinh trưởng vi sinh vật. Chủ thể thực hiện là kỹ thuật viên vận hành, thời gian theo dõi liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu môi trường và vi sinh vật học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng/tối đến hệ thống nuôi cấy vi tảo-bùn hoạt tính, hỗ trợ phát triển công nghệ xử lý nước thải sinh học.

  2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước thải, giảm chi phí năng lượng và tận dụng sinh khối vi tảo.

  3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành môi trường, công nghệ sinh học: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc nghiên cứu, học tập về công nghệ xử lý nước thải sinh học và ứng dụng vi tảo.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh trong xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tỷ lệ COD/N lại quan trọng trong xử lý nước thải?
    Tỷ lệ COD/N ảnh hưởng đến sự cân bằng dinh dưỡng cho vi tảo và vi khuẩn, từ đó quyết định hiệu quả xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng. Ví dụ, tỷ lệ 5:1 được chứng minh là tối ưu cho sinh trưởng vi tảo và loại bỏ COD, TN, TP hiệu quả.

  2. Chu kỳ sáng/tối ảnh hưởng thế nào đến sinh khối vi tảo?
    Chu kỳ sáng/tối điều chỉnh quá trình quang hợp và hô hấp của vi tảo. Chu kỳ 12/12 giờ giúp duy trì sự phát triển ổn định, tránh stress do ánh sáng quá mức hoặc thiếu sáng, nâng cao năng suất sinh khối.

  3. Có cần sục khí trong hệ thống PBR không?
    Nghiên cứu cho thấy vận hành PBR không sục khí vẫn đạt hiệu quả cao nhờ oxy do vi tảo cung cấp, giúp giảm chi phí năng lượng so với hệ thống truyền thống.

  4. Sinh khối vi tảo thu được có thể sử dụng làm gì?
    Sinh khối vi tảo có thể được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học, thuốc nhuộm sinh học và các sản phẩm sinh học khác, góp phần tăng giá trị kinh tế.

  5. Làm thế nào để duy trì pH và DO ổn định trong quá trình xử lý?
    Cần theo dõi liên tục các thông số môi trường và điều chỉnh điều kiện vận hành như tỷ lệ COD/N, chu kỳ sáng/tối, đồng thời sử dụng hệ thống kiểm soát tự động để duy trì pH trong khoảng 7-9 và DO ở mức phù hợp.

Kết luận

  • Tỷ lệ COD/N = 5:1 là điều kiện tối ưu cho sản xuất sinh khối vi tảo và hiệu quả xử lý COD, TN, TP trong hệ thống PBR không sục khí.
  • Chu kỳ sáng/tối 12/12 giờ nhân tạo giúp duy trì sinh trưởng vi tảo ổn định và nâng cao hiệu quả xử lý.
  • Hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp bùn hoạt tính trong PBR là giải pháp thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi.
  • Việc kiểm soát các thông số môi trường như pH và DO là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả xử lý và sản xuất sinh khối.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nước thải sinh học kết hợp sản xuất sinh khối vi tảo có giá trị kinh tế, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Để tiếp tục phát triển công nghệ này, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai thử nghiệm quy mô lớn và nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng khác như nhiệt độ, ánh sáng tự nhiên và thành phần nước thải thực tế. Hãy áp dụng các giải pháp này để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải và phát triển nguồn sinh khối vi tảo bền vững!