Nghiên cứu nuôi tảo Chlorella vulgaris xử lý N, P trên biofilm photobioreactor

Nghiên cứu nuôi cấy vi tảo Chlorella vulgaris trên biofilm photobioreactor. Ứng dụng hấp thụ, xử lý nitrogen và phosphorus hiệu quả trong nước thải.

• Tác giả: Do Thanh Tri
• Người hướng dẫn: PGS. Tong Xuan Tam
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Education
• Chuyên ngành: Biology
• Đề tài: Nghiên cứu nuôi vi tảo Chlorella vulgaris trên biofilm photobioreactor để hấp thu nitrogen và phosphorus trong nước thải
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt
• Danh mục các hình
• Tính cấp thiết
• Cách tiếp cận
• Đối tượng nghiên cứu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Vi tảo trong công nghệ môi trường
• 1.2. Đặc điểm phân loại và hình thái tảo Chlorella vulgaris
• 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình sinh trưởng tảo C. vulgaris
• 1.4. Các giai đoạn sinh trưởng của tảo C. vulgaris
• 1.5. Giá trị sử dụng tảo C. vulgaris
• 1.6. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vi tảo C. vulgaris trong xử lí nước trên thế giới và Việt Nam
• 1.7. Các công nghệ nuôi cấy vi tảo Chlorella vulgaris
• 1.8. Công nghệ nuôi vi tảo cố định trên hệ thống phản ứng quang sinh học màng đôi phương thẳng đứng
• 1.9. Công nghệ nuôi vi tảo cố định trên hệ thống phản ứng quang sinh học hai lớp màng theo phương nghiêng ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Địa điểm, thời gian và vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Thiết bị nghiên cứu
• 2.3. Sơ đồ tiến hành các thí nghiệm
• 2.4. Bố trí thí nghiệm và các phương pháp được sử dụng trong nội dung 1: Nghiên cứu tối ưu một số yếu tố khi nuôi tảo C. vulgaris trong hệ thống 2 L để tăng sinh khối
• 2.4.1. Bố trí các thí nghiệm tối ưu một số yếu tố khi nuôi tảo C. vulgaris trong hệ thống 2 L
• 2.4.2. Các phương pháp được sử dụng trong các thí nghiệm nội dung 1
• 2.5. Bố trí thí nghiệm và các phương pháp được sử dụng trong nội dung 2: Tối ưu hóa quá trình nuôi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor
• 2.5.1. Nghiên cứu chọn nồng độ KAl(SO4)2 để tạo keo tụ lắng, cô đặc sinh khối vi tảo trong huyền phù
• 2.5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức cô đặc sinh khối tảo lên sinh trưởng của vi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor
• 2.5.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của phương thức bổ sung CO2 vào hệ thống nuôi lên sinh trưởng của vi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor
• 2.5.4. Thí nghiệm ảnh hưởng của mật độ tảo ban đầu lên sinh trưởng của vi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor
• 2.5.5. Thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng lên sinh trưởng của vi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor
• 2.5.6. Các phương pháp được sử dụng trong các thí nghiệm nội dung 2
• 2.6. Bố trí thí nghiệm và các phương pháp được sử dụng trong nội dung 3: Nghiên cứu khả năng hấp thụ NH4+ và PO43- của C. vulgaris trên biofilm photobioreactor quy mô phòng thí nghiệm
• 2.6.1. Bố trí thí nghiệm nội dung 3
• 2.6.2. Phương pháp đo DO, NH4+ và PO43-
• 2.6.3. Phương pháp xử lí số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả thực hiện nội dung 1: Tối ưu một số yếu tố khi nuôi tảo C. vulgaris trong hệ thống 2 L
• 3.1.1. Kết quả thí nghiệm chọn cường độ ánh sáng tối ưu cho sinh trưởng của tảo C. vulgaris
• 3.1.2. Kết quả thí nghiệm chọn mật độ tảo giống ban đầu tối ưu cho sinh trưởng của tảo C. vulgaris
• 3.2. Kết quả thực hiện nội dung 2: Tối ưu hóa quá trình nuôi cấy vi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor
• 3.2.1. Kết quả chọn nồng độ KAl(SO4)2 để tạo keo tụ lắng, cô đặc sinh khối vi tảo trong huyền phù
• 3.2.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức cô đặc sinh khối tảo lên sinh trưởng của vi tảo C. vulgaris trong biofilm PBR phương nghiêng
• 3.2.3. Kết quả tối ưu phương thức bổ sung CO2 trong hệ thống nuôi biofilm photobioreactor
• 3.2.4. Kết quả tối ưu cường độ sáng nuôi tảo cố định trên hệ thống biofilm photobioreactor
• 3.2.5. Kết quả tối ưu mật độ tảo giống ban đầu trong hệ thống biofilm photobioreactor
• 3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp thụ NH4+ và PO43- trong nước thải của C. vulgaris trên biofilm PBR quy mô phòng thí nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Nuôi tảo Chlorella vulgaris Giải pháp xử lý Nito Photpho

Việc nuôi tảo Chlorella vulgaris xử lý Nitrogen, Phosphorus đang nổi lên như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải sinh học bền vững và hiệu quả. Tảo lục Chlorella, một loài vi tảo đơn bào, sở hữu khả năng quang hợp mạnh mẽ và hấp thụ các chất dinh dưỡng vô cơ từ môi trường nước. Khả năng này biến nó thành một công cụ đắc lực trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do dư thừa Nitơ (N) và Phốt pho (P). Các hợp chất này, chủ yếu là amoni (NH4+) và photphat (PO43-), là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm suy giảm chất lượng nước và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh. Việc ứng dụng vi tảo trong công nghệ môi trường không chỉ giúp làm sạch nước mà còn tạo ra sinh khối tảo có giá trị. Sinh khối này có thể được tận dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón hữu cơ, hoặc thức ăn trong ngành nuôi trồng thủy sản. So với các phương pháp hóa học hay vật lý truyền thống, việc sử dụng Chlorella vulgaris mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường, và khả năng tái tạo tài nguyên. Nghiên cứu của Đỗ Thành Trí (2022) đã chứng minh tiềm năng to lớn của việc nuôi cấy Chlorella vulgaris trong các hệ thống tiên tiến để tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải.

1.1. Tổng quan về tảo lục Chlorella vulgaris và tiềm năng

Chlorella vulgaris là loài vi tảo hình cầu, thuộc ngành Chlorophyta, có kích thước rất nhỏ, chỉ từ 2 đến 10 µm. Mặc dù kích thước khiêm tốn, loài tảo này có tốc độ tăng trưởng của tảo rất nhanh trong điều kiện tối ưu, sinh sản vô tính thông qua việc hình thành các tự bào tử. Cấu trúc tế bào của nó chứa hàm lượng lớn diệp lục a và b, cho phép quang hợp hiệu quả. Một trong những đặc tính nổi bật nhất là khả năng hấp thụ dinh dưỡng của tảo. Nó sử dụng các dạng Nitơ vô cơ như amoni (NH4+) và Phốt pho dưới dạng photphat (PO43-) làm nguồn dinh dưỡng chính cho quá trình tổng hợp protein và các hợp chất hữu cơ khác. Chính đặc tính này làm cho ứng dụng của Chlorella vulgaris trở nên vô cùng tiềm năng trong lĩnh vực xử lý nước thải bằng vi tảo. Ngoài ra, sinh khối tảo sau khi thu hoạch rất giàu protein (khoảng 50%), lipid và các vitamin thiết yếu, mở ra nhiều hướng ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác.

1.2. Vai trò của vi tảo trong công nghệ môi trường hiện đại

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, vi tảo được xem là một giải pháp xanh cho nhiều vấn đề. Vai trò quan trọng nhất là trong công nghệ xử lý nước thải sinh học. Vi tảo có khả năng loại bỏ nito và photpho một cách tự nhiên, giúp ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng trong các thủy vực. Quá trình này không đòi hỏi hóa chất độc hại, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Bên cạnh việc xử lý N và P, một số loài vi tảo còn có khả năng hấp thụ kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Hơn nữa, quá trình quang hợp của vi tảo giúp hấp thụ khí CO2, một trong những khí nhà kính chính, góp phần giảm thiểu biến đổi khí hậu. Sinh khối tảo thu được là một nguồn tài nguyên tái tạo, có thể chuyển hóa thành biodiesel, bioethanol, hoặc được sử dụng làm phân bón sinh học, cải tạo đất. Vì vậy, việc tích hợp vi tảo vào các quy trình xử lý môi trường không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.

II. Thách thức từ Nito Photpho Vấn nạn phú dưỡng hóa

Sự gia tăng nồng độ Nitrogen và Phosphorus trong các nguồn nước mặt là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng nhất hiện nay. Các hợp chất này, bắt nguồn từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp và hoạt động nông nghiệp (dư lượng phân bón), khi vượt ngưỡng cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng. Đây là quá trình mà sự dư thừa dinh dưỡng kích thích sự phát triển bùng nổ của tảo và thực vật thủy sinh. Mặc dù có vẻ vô hại, hiện tượng này lại dẫn đến những hậu quả tiêu cực cho hệ sinh thái. Lớp tảo dày đặc trên bề mặt nước ngăn cản ánh sáng mặt trời chiếu xuống các tầng nước sâu hơn, làm chết các loài thực vật thủy sinh và phá vỡ chuỗi thức ăn. Khi lượng tảo khổng lồ này chết đi, quá trình phân hủy của vi khuẩn tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan trong nước, gây ra tình trạng thiếu hụt oxy nghiêm trọng. Điều này dẫn đến cái chết hàng loạt của các loài cá và sinh vật có ích khác, làm suy giảm đa dạng sinh học và chất lượng nước. Do đó, việc tìm kiếm một phương pháp hiệu quả để loại bỏ nito và photpho khỏi nước thải trước khi xả ra môi trường là vô cùng cấp thiết.

2.1. Phân tích hiện tượng phú dưỡng và tác động tiêu cực

Hiện tượng phú dưỡng (eutrophication) xảy ra khi nồng độ các chất dinh dưỡng, đặc biệt là Nitrogen và Phosphorus, tăng cao đột ngột trong các thủy vực như ao, hồ, và sông. Tác động đầu tiên và dễ nhận thấy nhất là sự bùng phát của tảo, thường được gọi là 'tảo nở hoa' (algal bloom), làm cho nước chuyển sang màu xanh lục hoặc xanh lam và có mùi hôi. Lớp váng tảo này không chỉ làm mất mỹ quan mà còn cản trở ánh sáng, gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của các loài thực vật ngập nước. Khi các tế bào tảo chết đi và lắng xuống đáy, vi khuẩn dị dưỡng sẽ phân hủy chúng, quá trình này tiêu thụ lượng lớn oxy hòa tan. Nồng độ oxy giảm mạnh gây ra cái chết của các loài động vật thủy sinh cần oxy để tồn tại, tạo ra các 'vùng chết' (dead zones). Một số loài tảo nở hoa còn có khả năng sản sinh độc tố, gây nguy hiểm cho cả động vật và con người nếu sử dụng nguồn nước này.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý nước thải truyền thống

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống để loại bỏ nito và photpho thường bao gồm các quá trình vật lý, hóa học và sinh học dựa trên vi khuẩn. Các phương pháp hóa học như keo tụ, kết tủa hóa học có thể loại bỏ phốt pho hiệu quả nhưng lại tốn kém, sử dụng nhiều hóa chất và tạo ra một lượng lớn bùn thải khó xử lý. Các quá trình sinh học dựa trên vi khuẩn (như quá trình nitrat hóa và khử nitrat) có hiệu quả trong việc loại bỏ nitơ nhưng đòi hỏi các điều kiện vận hành phức tạp, cần cả vùng hiếu khí và thiếu khí, tiêu tốn nhiều năng lượng để sục khí và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Những hạn chế về chi phí, năng lượng và sản phẩm phụ đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm các giải pháp thay thế. Trong bối cảnh đó, xử lý nước thải bằng vi tảo như Chlorella vulgaris nổi lên như một hướng đi đầy hứa hẹn, khắc phục được nhiều nhược điểm của các công nghệ cũ.

III. Hướng dẫn nuôi cấy Chlorella vulgaris để tăng sinh khối

Để tối ưu hóa quá trình nuôi cấy Chlorella vulgaris nhằm mục đích tăng sinh khối và chuẩn bị nguồn giống cho các hệ thống xử lý nước thải, việc kiểm soát chặt chẽ các điều kiện nuôi cấy là yếu tố then chốt. Giai đoạn đầu tiên thường được thực hiện trong các hệ thống nuôi huyền phù quy mô phòng thí nghiệm, chẳng hạn như bình 2L. Trong giai đoạn này, mục tiêu chính là đạt được mật độ tế bào cao và tốc độ tăng trưởng của tảo tốt nhất. Các yếu tố như cường độ ánh sáng, mật độ tảo giống ban đầu, nồng độ CO2 và thành phần môi trường dinh dưỡng đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Nghiên cứu của Đỗ Thành Trí (2022) đã chỉ ra rằng việc xác định điều kiện tối ưu nuôi tảo là bước nền tảng quan trọng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với hệ thống nuôi huyền phù 2L, cường độ ánh sáng khoảng 120 µmol photon/m²/s và mật độ giống ban đầu 5x10^6 TB/mL là phù hợp để tảo phát triển mạnh mẽ trong 20 ngày. Việc cung cấp đủ CO2 và môi trường dinh dưỡng như SFM cũng là điều kiện cần thiết để đảm bảo quá trình quang hợp và tổng hợp sinh khối diễn ra hiệu quả, tạo tiền đề cho các ứng dụng xử lý môi trường quy mô lớn hơn.

3.1. Kỹ thuật tối ưu điều kiện nuôi cấy huyền phù tảo

Nuôi cấy huyền phù là phương pháp phổ biến để nhân giống và tăng sinh khối tảo lục Chlorella. Để đạt hiệu quả cao nhất, cần tối ưu hóa một số yếu tố quan trọng. Thứ nhất, cường độ ánh sáng phải được điều chỉnh phù hợp. Nghiên cứu cho thấy ánh sáng quá yếu sẽ hạn chế quang hợp, trong khi ánh sáng quá mạnh (trên 140 µmol photon/m²/s) có thể gây ức chế quang hợp, làm giảm năng suất sinh khối khô. Thứ hai, mật độ tảo ban đầu cũng quyết định hiệu quả. Mật độ quá thấp sẽ kéo dài thời gian để đạt được quần thể ổn định, trong khi mật độ quá cao sẽ gây ra hiện tượng tự che bóng, làm giảm hiệu quả sử dụng ánh sáng. Thứ ba, việc bổ sung CO2 (khoảng 0,5%) và sục khí liên tục không chỉ cung cấp carbon cho quang hợp mà còn giúp khuấy trộn môi trường, đảm bảo các tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng và dinh dưỡng.

3.2. Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của tảo

Tốc độ tăng trưởng của tảo Chlorella vulgaris phụ thuộc vào sự tương tác phức tạp của nhiều yếu tố. Ánh sáng là yếu tố quan trọng hàng đầu, ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ quang hợp. Nhiệt độ cũng đóng vai trò quyết định, với khoảng tối ưu thường từ 25-28°C; nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp đều làm chậm quá trình trao đổi chất. Độ pH của môi trường nuôi cấy cần được duy trì ổn định, thường trong khoảng từ 7 đến 9. Sự thay đổi pH đột ngột có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ dinh dưỡng của tảo. Thành phần môi trường dinh dưỡng, bao gồm nồng độ các nguyên tố đa lượng (N, P, K) và vi lượng, phải được cân bằng để đáp ứng nhu cầu của tảo. Việc kiểm soát và tối ưu hóa đồng thời các yếu tố này sẽ giúp tối đa hóa sản lượng sinh khối tảo và hiệu quả của toàn bộ quy trình nuôi cấy.

IV. Công nghệ Biofilm Photobioreactor xử lý nước thải ưu việt

Hệ thống phản ứng quang sinh học màng đôi, hay Biofilm Photobioreactor (PBR), là một công nghệ đột phá trong việc nuôi cấy Chlorella vulgaris cố định để xử lý nước thải. Khác với phương pháp nuôi huyền phù truyền thống, công nghệ này cho phép tảo phát triển thành một lớp màng sinh học (biofilm) trên một giá thể, trong khi dòng nước thải chảy qua và tiếp xúc với lớp màng này. Cấu trúc này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Đầu tiên, nó giải quyết được bài toán khó khăn nhất của nuôi huyền phù: thu hoạch sinh khối. Thay vì phải ly tâm hay keo tụ một thể tích nước lớn, sinh khối tảo có thể được thu hoạch dễ dàng bằng cách cạo trực tiếp khỏi bề mặt giá thể. Thứ hai, hiệu quả sử dụng ánh sáng được cải thiện rõ rệt vì các tế bào tảo tập trung trên bề mặt và không bị lớp nước dày che khuất. Điều này giúp tăng cường khả năng hấp thụ dinh dưỡng của tảo, dẫn đến hiệu quả xử lý photphat (PO43-) và loại bỏ amoni (NH4+) cao hơn. Theo nghiên cứu của Đỗ Thành Trí (2022), hệ thống PBR màng đôi theo phương nghiêng không chỉ cho thấy hiệu quả xử lý nước thải tốt mà còn đạt được năng suất sinh khối cao.

4.1. Cấu trúc và nguyên lý của hệ thống PBR màng đôi

Hệ thống Photobioreactor (PBR) màng đôi bao gồm hai lớp màng chính đặt trên một khung nghiêng. Lớp dưới là lớp nguồn (ví dụ: sợi thủy tinh polyester), có chức năng dẫn truyền môi trường dinh dưỡng (nước thải) một cách liên tục. Lớp trên là lớp chất nền (ví dụ: giấy), nơi các tế bào vi tảo được cố định và phát triển thành một lớp biofilm dày. Nước thải được bơm lên cao và tưới nhỏ giọt xuống lớp nguồn, sau đó thấm qua và cung cấp dinh dưỡng cho lớp biofilm tảo ở trên. Nguyên lý này giúp tách biệt pha lỏng (nước thải) và pha rắn (sinh khối tảo), nhưng vẫn đảm bảo tảo có thể hấp thụ nước, dinh dưỡng, CO2 và ánh sáng. Nhờ đó, quá trình loại bỏ nito và photpho diễn ra hiệu quả ngay trên bề mặt biofilm. Hệ thống này có thể vận hành liên tục, tối ưu hóa không gian và giảm chi phí năng lượng so với các hệ thống bể hở raceway.

4.2. Kỹ thuật cô đặc và thu hoạch sinh khối tảo hiệu quả

Một bước quan trọng để khởi động hệ thống PBR là tạo ra lớp biofilm ban đầu từ tảo nuôi huyền phù. Việc cô đặc sinh khối là cần thiết cho bước này. Nghiên cứu đã so sánh hai phương pháp: ly tâm và tạo keo tụ lắng bằng phèn chua (KAl(SO₄)₂). Kết quả cho thấy, việc sử dụng phèn chua ở nồng độ thấp (0.2 g/L) không chỉ hiệu quả hơn trong việc cô đặc tảo mà còn giúp tảo giống sau đó phát triển tốt hơn trên biofilm. Phương pháp ly tâm tốc độ cao có thể gây tổn thương cho tế bào, làm giảm khả năng tăng sinh. Khi đến chu kỳ thu hoạch sinh khối, công việc trở nên rất đơn giản. Người vận hành chỉ cần cạo lớp biofilm ra khỏi lớp chất nền. Sinh khối tảo thu được có độ ẩm thấp (sinh khối khô có thể chiếm tới 20%), giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cho các công đoạn sấy khô và xử lý sau này, một ưu điểm vượt trội so với tảo thu từ nuôi huyền phù.

V. Kết quả hấp thụ Nito Photpho từ Chlorella vulgaris

Hiệu quả của việc nuôi tảo Chlorella vulgaris xử lý Nitrogen, Phosphorus đã được chứng minh rõ rệt thông qua các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống Biofilm Photobioreactor (PBR). Các thí nghiệm sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế tại TP. Hồ Chí Minh cho thấy khả năng vượt trội của biofilm tảo trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm. Chỉ sau một thời gian ngắn, nồng độ các hợp chất dinh dưỡng gây hại như amoni và photphat trong nước thải đã giảm xuống đáng kể. Cơ chế chính là sự hấp thụ dinh dưỡng của tảo, trong đó Chlorella vulgaris sử dụng N và P như nguồn thức ăn thiết yếu để quang hợp và phát triển, chuyển hóa chúng từ dạng vô cơ hòa tan thành sinh khối hữu cơ. Kết quả này không chỉ khẳng định tiềm năng của công nghệ xử lý nước thải sinh học bằng vi tảo mà còn mở ra một hướng đi bền vững, kết hợp giữa làm sạch môi trường và sản xuất tài nguyên sinh học. Nghiên cứu của Đỗ Thành Trí (2022) và các công trình liên quan cho thấy hiệu suất xử lý có thể đạt trên 90% đối với cả N và P sau khoảng 9 ngày, một con số đầy hứa hẹn cho các ứng dụng thực tiễn.

5.1. Hiệu quả loại bỏ Amoni NH4 và Photphat PO43

Kết quả thực nghiệm cho thấy biofilm Chlorella vulgaris có khả năng loại bỏ amoni (NH4+) và xử lý photphat (PO43-) rất nhanh chóng và hiệu quả. Trong các thí nghiệm, nước thải sinh hoạt sau khi qua hệ thống PBR có nồng độ NH4+ và PO43- giảm mạnh. Đặc biệt, quá trình hấp thụ diễn ra nhanh nhất trong 3 ngày đầu tiên sau khi thay nước thải mới, cho thấy tảo phản ứng rất tích cực với nguồn dinh dưỡng dồi dào. Khả năng này chứng tỏ xử lý nước thải bằng vi tảo là một giải pháp hiệu quả để giải quyết gốc rễ của hiện tượng phú dưỡng. Việc loại bỏ đồng thời cả hai yếu tố N và P là một ưu điểm lớn so với một số phương pháp vi sinh vật truyền thống vốn thường hiệu quả hơn đối với chỉ một trong hai yếu tố. Hiệu suất xử lý cao cho thấy tiềm năng ứng dụng công nghệ này trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị.

5.2. Đánh giá khả năng tăng trưởng sinh khối tảo trên PBR

Bên cạnh hiệu quả xử lý nước, hệ thống PBR còn cho thấy khả năng sản xuất sinh khối tảo ấn tượng. Trong điều kiện tối ưu về ánh sáng (khoảng 70-90 µmol photon/m².s) và mật độ giống ban đầu phù hợp, sinh khối khô của tảo tăng liên tục trong 15 ngày đầu tiên, có thể đạt tới trên 50 g/m². Tốc độ tăng trưởng của tảo cao chứng tỏ môi trường nước thải cung cấp đủ dinh dưỡng cho sự phát triển của tảo lục Chlorella. Đây là một mô hình đôi bên cùng có lợi: nước thải được làm sạch, đồng thời tạo ra một lượng lớn sinh khối có giá trị. Sinh khối tảo này có thể được ứng dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, thực phẩm chức năng, hoặc làm thức ăn giàu dinh dưỡng trong nuôi trồng thủy sản, góp phần xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn và bền vững.

VI. Tương lai của việc nuôi tảo xử lý nước thải tại Việt Nam

Công nghệ nuôi tảo Chlorella vulgaris xử lý Nitrogen, Phosphorus hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho ngành quản lý môi trường tại Việt Nam. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, nhiều nắng và nguồn nước thải dồi dào từ các đô thị và khu công nghiệp, Việt Nam có tiềm năng lớn để triển khai rộng rãi các hệ thống nuôi tảo. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như Biofilm Photobioreactor (PBR) có thể giúp các nhà máy xử lý nước thải nâng cao hiệu quả, giảm chi phí vận hành và giảm thiểu tác động môi trường. Thay vì xem nước thải là chất thải cần loại bỏ, cách tiếp cận này biến nó thành nguồn tài nguyên để sản xuất sinh khối tảo. Điều này không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm, ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế. Để hiện thực hóa tiềm năng này, cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, xây dựng các mô hình thí điểm và hoàn thiện quy trình công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, từ đó nhân rộng ứng dụng trong cả nước.

6.1. Tiềm năng ứng dụng sinh khối tảo sau khi thu hoạch

Sinh khối tảo thu được từ quá trình xử lý nước thải là một nguồn tài nguyên quý giá. Với hàm lượng protein và lipid cao, nó là nguyên liệu lý tưởng cho nhiều ngành công nghiệp. Một trong những ứng dụng của Chlorella vulgaris được quan tâm nhất là sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba (biodiesel, bio-oil). Ngoài ra, sinh khối có thể được chế biến thành phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng, giúp cải tạo đất và giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học. Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, bột tảo Chlorella là nguồn thức ăn tự nhiên, giàu acid béo không no (EPA, DHA), giúp tăng trưởng và sức đề kháng cho tôm, cá. Việc đa dạng hóa các sản phẩm từ sinh khối sẽ giúp tăng hiệu quả kinh tế của toàn bộ quy trình, biến xử lý nước thải thành một ngành kinh tế xanh, bền vững.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ trong tương lai

Để tối ưu hóa hơn nữa công nghệ xử lý nước thải bằng vi tảo, các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào một số hướng chính. Thứ nhất, cần sàng lọc và tuyển chọn các chủng vi tảo bản địa có khả năng thích ứng cao với điều kiện môi trường và loại nước thải đặc thù của Việt Nam. Thứ hai, cần tiếp tục cải tiến thiết kế của các hệ thống Photobioreactor (PBR) để tăng năng suất và giảm chi phí đầu tư. Thứ ba, nghiên cứu sâu hơn về cơ chế sinh hóa của quá trình hấp thụ dinh dưỡng của tảo, ví dụ như xác định hoạt tính của các enzyme như alkaline phosphatase, có thể giúp tối ưu hóa quá trình xử lý. Cuối cùng, việc phát triển các công nghệ chế biến sau thu hoạch để tạo ra các sản phẩm giá trị gia tăng từ sinh khối tảo cũng là một hướng đi quan trọng, đảm bảo tính bền vững và khả thi về mặt kinh tế cho công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BAO CÁO TONG KÉT _ ĐÈ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CÁP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NUÔI VI TAO Chlorella vulgaris TREN BIOFILM PHOTOBIOREACTOR DE HAP THY NITROGEN VA PHOSPHORUS TRONG NƯỚC THÁI MÃ SÓ: CS.36 Cơ quan chủ trì: Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM Chủ nhiệm đẻ tài: Đỗ Thành Trí THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH - 01/2022 a BAO CÁO TONG KET _ DE TAI KHOA HQC VA CONG NGHE CAP TRUONG NGHIÊN CỨU NUOI VI TAO Chlorella vulgaris TREN BIOFILM PHOTOBIOREACTOR DE HAP THY NITROGEN VA PHOSPHORUS TRONG NUOC THAI MA SO: CS.36 Xác nhận của cơ quan chủ tri Chủ nhiệm đề tài (ky, ho tén) (hy, ho tên) PGS. Tống Xuân Tam ThS. Đỗ Thành Trí THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH - 01/2022 Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài và đơn vị phối hợp chính: Ho và tên Don vị công tác Đóng góp ThS. Quách Văn Toản Em Trường Đại học Sư Thành viên, tham gia các nội phạm TP.

Hỗ Chi Minh dung 1, 2, 3 của đề tài. Lại Thị Lan Anh Trường Đại học Sư Thành viên, tham gia các nội phạm TP. Hồ Chí Minh dung 1, 2 của đề tài. ĐƠN VỊ PHÓI HỢP CHÍNH Tên đơn vị Nội dung phối hợp Họ và tên người đại diện Khoa Sinh học Thâm định nội dung, ứng dụng Ban Chủ nhiệm Khoa Sinh học kết quả nghiên cứu.

THÔNG TIN KÉT QUÁ NGHIÊN CỨU ĐÈ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CÁP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu nuôi vi tảo Chlorella vulgaris trên biofilm photobioreactor dé hap thu nitrogen và phosphorus trong nước thải Mã số: CS.36 Chủ nhiệm đẻ tài: Đỗ Thành Trí Tel: [phone] E-mail: triđ[e-mail] Cơ quan chủ tri đẻ tài: Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: (1) Khoa Sinh học (người đại diện: PGS. Tống Xuân Tám , Trường Đại học Sư phạm TP. Ho Chí Minh. Quách Văn Toàn Em, Trường Đại học Sư phạm TP.

Hỗ Chi Minh. Lại Thị Lan Anh, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: Từ tháng 12 năm 2020 đến tháng 12 năm 2021 1.

Mục tiêu: Tối ưu hóa được quá trình nuôi cấy và nghiên cứu khả năng hấp thụ nitrogen và phosphorus của C. vưigaris trên biofilm photobioreactor quy mô phòng thí nghiệm. Nội dung chính: - Nội dung 1: Toi uu quá trình nuôi cay chủng C. vulgaris có nang suất cao trong hệ thông 2 L đề tăng sinh khôi tảo - Nội dung 2: Tối ưu hóa quá trình nuôi cấy chúng €.

vulgaris có năng suất cao trên hệ thống quang sinh học 2 lớp màng - Nội dung 3: Nghiên cứu kha năng hap thụ NHy* và PO¿Ÿ của €. vulgaris trên biofilm photobioreactor quy mô phòng thí nghiệm. Kết quả chính đạt được (khoa hoc, ứng dụng, đào tạo, kinh tế-xã hội): * Sản phâm đào tạo: 01 khóa luận tốt nghiệp (của sinh viên Lại Thị Lan Anh, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hỗ Chi Minh). « Số bài báo công bố: 01 bài báo khoa học tiếng Anh (đăng ở tạp chi Khoa học Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUE J.

« Báo cáo tông kết; 01 báo cáo tông kết dé tài. ili SUMMARY Project Title: Cultivation of microalgae Chlorella vulgaris in biofilm photobioreactor to absorb nitrogen and phosphorus in wastewater. Code number: CS.36 Coordinator: Do Thanh Trị Implementing Institution : Faculty of Biology, Ho Chi Minh city University of Education, 280 An Duong Vuong street, District 5, Ho Chi Minh city. Quach Van Toan Em, Ho Chi Minh city University of Education.

Lai Thi Lan Anh, Faculty of Biology, Ho Chi Minh city University of Education. Duration: from 12/2020 to 12/2021. Objectives: Optimization of the culture process and study of the nitrogen and phosphorus absorption capacity of C. vulgaris in angled biofilm photobioreactor at laboratory scale.

Main contents: - Content 1: Optimizing the cultivation of the C. vulgaris strain in 2 L culture systems to increase algal biomass. - Content 2: Optimizing the culture process of C. vulgaris strain in angled biofilm photobioreactor at laboratory scale.

- Content 3: Study on the ability to absorb NHạ* and PO¿Ÿ of C. vulgaris cultured in laboratory-scale biofilm photobioreactor. Results obtained: * Training products: 01 graduation thesis (by student Lai Thi Lan Anh, Ho Chi Minh City University of Education). * Number of published articles: 01 scientific paper (in Science journal Ho Chi Minh City University of Education (HCMUE J, SCL).

* Final report; 01 summary report of the topic. MỤC LỤC Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt. 4 BM URE Fa can nan n0 0n 0á nan 5 Ws TINH GSDILHIGE:,,. Cách tiếp cận.

ch 00000400040008300210040804400200030 7 4, Đöiitrợng nghiÊn:CỨU. NG Aung NHI CUA.VviiighiED'GỨUticcocoiiisiiiisiis6gi650162138211231165301351585358653555885835385355338888 8868536558835 § CHUONG 1. TONG QUAN VAN DE NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VUC DE TÀI GO TRONG VAINGO AUN GC nnnoniannnoiniinnnnniiiniiindittiiniiiEEH1G1180100850G5301838300850 9 1. Vi tảo trong công nghệ môi trường.

Đặc điểm phân loại và hình thái táo Chlorella vul@aris. Các yếu tổ ảnh hưởng quá trình sinh trưởng tảo €.4, Các giai đoạn sinh trưởng của tảo C. vulgaris oc ccccceseeeceeeseeccteeseteceneeeeneeeseees 12 125; Giá trị.sử dụng tảo CC: VHÏBđHIS::. Tinh hình nghiên cứu ứng dụng vi tảo C.

vulgaris trong xử lí nước trên thé giới VỆ: VIỆ(NBD:::::::::::cccccccciiiitiiitiistinccitc11114111381351183188555838566818818983885858381E335858118818885855 lầ 1. Các công nghệ nuôi cayvi tao Chlorella vulgaris ÈãE353358553535383532652363585552353835553 15 1. Công nghệ nuôi vi tao cỗ định trên hệ thong phan ứng quang sinh học màng đôi phương thẳng TIE ‹:c:::22::22231211235129152201153125311662351325351565358315233883383353593655315853553586833583256 16 1. Công nghệ nuôi vi tảo cô định trên hệ thông phan ứng quang sinh học hai lớp mang theo phương nghiêng ở Việt Nam.

- SH HH no 18 CHƯƠNG 2. VAT LIEU VA PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CỨU. Địa điểm, thời gian và vật liệu nghiên cứu. Thiết bị:MNYW Koi:adđadaađdaid 21 2.

Sơ đỏ tiền hành các thí SUG TH cs:iii210165111211151111411631892153335345834383885855333453835894333 5385 23 243. Bồ trí thí nghiệm va các phương pháp được sử dung trong nội dung 1: Nghiên cứu tôi ưu một số yêu tố khi nuôi táo C. vulgaris trong hệ thống 2 L dé tăng sinh Khi oonsositnsinnnioittitt16015601000000600361563013301866133186313888188383963886189815839189880588136088617861383810 23 2. Bồ trí các thi nghiệm tôi ưu một số yếu tô khi nuôi tảo C.

vulgaris trong hệ thông 2 (110:110111301131133113811381339138138813861266183958815813981366148996811981198138058813881198116823802811983390012951882681198338055 24 2. Các phương pháp được sử dụng trong các thí nghiệm nội dung Ì. Bồ trí thí nghiệm và các phương pháp được sử dụng trong nội dung 2: Tối ưu hóa quá trình nuôi tảo C. vulgaris trong biofilm photobioreactor 3633334338285524538333503388 27 2.

Nghiên cứu chọn nồng độ KAI(SO¿)› dé tạo keo tụ lắng, cô đặc sinh khối vi tảo rong luyện PHO sisi 27 2. Nghiên cứu anh hưởng của phương thức cô đặc sinh khối tao lên sinh trưởng của WiitO: C. sail aris ON DIO PHONO DIONE AO Le sac sccscsccsecsesscseszesccssacesesssssevesssssesssessevieses 28 2. Thí nghiệm ảnh hưởng của phương thức bỏ sung CO2 vào hệ thống nuôi lên sinh trưởng của vi tảo C.

vulgaris trong biofilm photobioreacLOT. Thí nghiệm anh hướng của mật độ tảo ban dau lên sinh trưởng của vi tảo C. vulgaris trong biofilm photoblorcaCfOT. Thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng lên sinh trưởng của vi tao C.

Vulgaris trong biofilm photObiOT€AaCfOY. ch HH HH HH HH nntrkp 29 2 2. Các phương pháp được sử dụng trong các thí nghiệm nội dung 2. Bố trí thí nghiệm va các phương pháp được sử dụng trong nội dung 3: Nghiên cứu khả năng hap thụ NH," và PO¿È của C.

vulgaris trên biofilm photobioreactor quy mô phòng thí nghiệm. Bỏ trí thí nghiệm nội dung 3. Phương pháp đo DO, NHỰ VAP ssssissssscissccsssssssscsssscsssscsssscssssessassssssasssseassseesaes 38 2. Phương pháp xử lí _1 03.

KET QUA VÀ THẢO LUẬN 35853552539538555355955525535355237395548555833855 58335535555 34 3. Kết qua thực hiện nội dung |: tối ưu một số yếu tô khi nuôi tảo €. vulgaris trong hệ thống 2SIE,(I6iRinpisintblEBDIsss:csssc::sgi1257021102210041112400011036212602100032016210121002316 34 3. Kết quả thí nghiệm chọn cường độ ánh sáng tối ưu cho sinh trưởng của tảo C.

Kết quả thí nghiệm chọn mật độ tảo giống ban dau tôi ưu cho sinh trưởng của tảo VI HS 221012 214000400140210000210212222220223023130221031133139903193192223302313023012412314913399499999390390380380330550 35 3. Kết giả tfiiife hiện nội GUNG 2s. Kết quả chọn nồng độ KAI(SOj)a dé tạo keo tự ling, cô đặc sinh khôi vi tảo trong HHjbI NHÍ 0551055 100110110810601101100100611011011101102210110110016033031301000110111013012101101216101310101133810211161) 36 3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức cô đặc sinh khói tảo lên sinh trưởng của vi tảo C.

vulgaris trong biofilm PBR phương nghiêng. Kết quả tối ưu phương thức bô sung CO: trong hệ thông nuôi biofilm phofOblOr4CEOT. HT HH HH HH TT Thọ TT TH HH TH Ti tt 39 3. Kết quả tối ưu cường độ sáng nuôi tảo cô định trên hệ thống biofilm Bliot0DIOTE&CÍOfiuttiootutoioootitttititiitiitiitiiiiiiiiiiiii10041518ã31531835813183184334131451168434838538851555ã3858 41 3.

Kết qua tdi ưu mật độ tao giống ban dau trong hệ thông biofilm photobioreactor 44 3. Kết quả nghiên cứu khả năng hap thụ NH4* và PO;* trong nước thải của C. vulgaris trên biofilm PBR quy mô phòng thí nghiệm .-- S55 <sss<sxe<xxee 46 KETTLUANVAKINNGHeeeeieiaaaeenannenoornrrrnnrn.nnnrenn 50 KHẨN: seieeiiiieeiieiiieitattiiS00113102161111123001263153532368213183385803502385331533823335567533888 50 KIỆN!HEBỈ::::::::¿-:::sci22272520223112211135126131531123313535355353653553413558333231383397353633583551453598352353253855 50 - __ Khảo sat thời gian thay nước thải vào hệ thông biofilm PBR sớm hơn. 50 - Do nông độ phosphorous tông của nước thải và bên trong tế bào tảo.

50 - Xac định hoạt tính enzyme alkaline phosphatase (AP) tai các thời điểm trước va sau khi thay nước thai vào hệ thông biofilm PBR.TÀI LIEU THAM KHAO. 50 PHU LUC 3 Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt Kí hiệu Chú giải Dic Déi chứng C. vulgaris Chlorella vulgaris NT Nghiệm thức SKK Sinh khối khô TL-PBR Twin-layer biofilm photobioreactor 4 Đanh mục các hình Hình 1. Sơ đô cấu trúc của một tế bao C.

Các giai đoạn khác nhau của quá trình sinh san ở C. a) Mô hình tông quát của các module hai lớp màng trong hệ thông quang sinh học; b) Chỉ tiết các thành phan trong hệ thống WUẺ) 0:2: mm .ốốố anh 17 Hình 1. Bản vẽ thiết kẻ buồng nuôi (chamber) của hệ thông 005m.5, Sơ do hệ thống cung cấp đinh dưỡng, không khí cho buồng nuôi (chamber) của hệ thông 0,05 m? và sơ do bé trí các chamber và đèn chiêu sáng trong hệ thông. Sơ 46 tiền hành các thí nghiệm 8ggãS:468852146889251488955148857251881451888972148881408680195688872588838 23 Hình 2.

Quang phô ánh sáng từ hệ thống LED trắng được đo bằng may UPRtek PG100N (Taiwan) với bước sóng từ 400 — 730 nim. - HH Hàn HH HH Hàn ng Hàn tân 24 Hình 2. Tương quan giữa giá trị đo OD682 và mật độ tô ào VÌ lÃÖ nan gggggggggangggana 26 Hình 2. Vị trị lắp đặt đèn LED trên hệ thong biofilm photobiorcaCtOT.

Bo trí thí nghiệm trong nội dung 3. Mật độ SKK của tao ở các cường độ ánh sáng khác nhau trong hệ thông 2 L. Mat độ SKK của vi tảo ở các mật độ khác nhau trong hệ thông 2 L. Hiện tượng tạo keo tụ lắng tảo sau khi bé sung phèn chua ở các nồng độ khác nhau S13115155511838551395557313535551538551395355395345511538531313835531535851538551395345315388515183513953583335355511518331391835533353E 37 Hình 3.

Giá trị OD682 của phan dịch nôi sau khi tạo keo ty lắng tảo bằng phén chua ở các nông GG EMG HN tisiciigitiitii11111011111011011011101401181813338181383138160385818138381818838581683858199383819880803013888 37 Hình 3. Bé mặt biofilm vi tảo C. vulgaris sau 5 ngày được nuôi trong biofilm PBR phuong nghiêng với tảo được thu bằng 2 phương thức cô đặc sinh khối khác nhau: tạo keo tụ lắng bang KAI(SO4)2 nông độ 0/2 o/L. CA) và Wai li tâm (BY sisi ssscssissssssisssssssssossssvsssacsvoissssvoisssnvoreseas 38 Hình 3.

Tông SKK vi tao C.