Đặt vấn đề Nước là một trong những tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất trên hành tinh của chúng ta. Tuy nhiên, bên cạnh nguồn nước sạch cung cấp không đủ ở nhiều nước đang phát triển, chất lượng nước ở các nước công nghiệp phát triển đã đạt đến tình trạng đáng lo ngại (Muñoz et al. (2009); Sousa et al. Sự ô nhiễm của nước thải đô thị, nông nghiệp và công nghiệp với một số lượng lớn các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, chẳng hạn như vi nhựa (Eerkes-Medrano, Leslie, & Quinn, 2019), xenobiotics Muñoz et al.
(2009), kim loại nặng Chowdhury et al. (2016) và nồng độ cao của nitrat Menció, et al. (2016), phốt phát Farmer (2018) và các hợp chất cacbon (C) Sousa et al. (2018), gây ra sự căng thẳng cho chuỗi thức ăn.
XLNT là một vấn đề toàn cầu không thể được quản lý bởi một công nghệ duy nhất vì quy mô, loại chất gây ô nhiễm và điều kiện khu vực có liên quan rất khác nhau. Các nhà máy XLNT thông thường tập trung vào việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng (chủ yếu là cơ học) và giảm nhu cầu oxy sinh học bằng bùn hoạt tính Wang et al. Sự phân hủy sinh học này liên quan đến sự phân hủy các phân tử hữu cơ và các thành phần vô cơ như nitơ (N) và các hợp chất phốt pho (P), có tầm quan trọng lớn để ngăn chặn sự phú dưỡng của các vùng nước hạ lưu như sông và hồ. Khả năng phân hủy của các công nghệ thông thường này bị hạn chế, đặc biệt là đối với kim loại nặng, lượng dinh dưỡng cực cao và xenobiotics, dẫn đến sự tích tụ ngày càng tăng của các chất này trong nước ngầm (Muñoz et al.
(2009); Sousa et al. (2018); Menció, et al. Do tính linh hoạt trong trao đổi chất của vi tảo, tức là khả năng thực hiện quá trình trao đổi chất quang tự dưỡng, hỗn hợp hoặc dị dưỡng (Hu et al. (2018); Subashchandrabose et al.
(2013)), chúng đại diện cho các hệ thống sinh học đầy hứa hẹn để xử lý nhiều nguồn nước thải khác nhau. Đặc biệt, trong bối cảnh nền kinh tế tuần hoàn, dựa trên sinh học và sự phát triển của các khái niệm về xử lý sinh học Mohan et al. (2016), sinh khối vi tảo được tạo ra từ các dòng nước thải mang lại tiềm năng lớn cho các sản phẩm sinh học bền vững (phụ thuộc vào luật pháp quốc gia về tái sử dụng sinh khối/chế phẩm sinh học vi tảo), chẳng hạn như protein Soto-Sierra et al. (2018), axit béo Kumar et al.
(2019), chất màu (D’Alessandro & Antoniosi Filho, 2016), phân bón sinh học/than sinh học (Santos et al. (2018); Yu et al. (2017)) và thức ăn chăn nuôi Madeira et al. Các công nghệ XLNT dựa trên tảo trên 1 thực tế đã được nghiên cứu từ những năm 1950, chủ yếu là do khả năng cố định N và P vô cơ rất hiệu quả của chúng.
Việc sử dụng vi tảo trong các nhà máy XLNT có hai mục đích chính: (1) hấp thụ hoặc chuyển hóa trực tiếp các chất gây ô nhiễm trong nước, (2) cải thiện hiệu suất xử lý của các hệ thống vi khuẩn (tổ hợp vi tảo-vi khuẩn) bằng cách cung cấp thêm oxy từ quá trình quang hợp (nuôi cộng sinh), do đó giảm tổng chi phí năng lượng của việc cung cấp oxy trực tiếp (hiệu suất tạo khí) hoặc gián tiếp (hiệu suất khuấy) Quijano et al. Cho đến nay, nghiên cứu về XLNT dựa trên tảo chủ yếu tập trung vào các vi tảo và vi khuẩn lam thông thường như Chlorella sp. Chiu et al. Zhai et al.
Ansari et al. (2019) và Nannochloropsis sp. ((Şirin & Sillanpää, 2015); Mitra et al. (2016)) vì chúng có khả năng tích lũy nhiều lipid và tinh bột.
Tuy nhiên, hệ thống đồng nuôi cấy vi tảo và vi khuẩn vẫn gặp phải những trở ngại cố hữu về thu hoạch sinh khối (Mallick, 2002). Các công nghệ truyền thống để thu hoạch sinh khối là keo tụ và ly tâm/tách nước. Hiệu quả của các công nghệ truyền thống này không đáng kể và chi phí vận hành vẫn còn cao Su et al. Các hệ thống nuôi cấy dựa trên màng sinh học đã được chứng minh là hiệu quả và giảm chi phí thu hoạch tảo.
Trong các hệ thống màng sinh học này, tảo được bám vào bề mặt vật liệu và dễ dàng thu hoạch bằng cách nạo chúng ra khỏi bề mặt. Khi thu hoạch, tảo có hàm lượng nước tương tự như sinh khối tảo sau ly tâm, do đó có thể hạn chế được các bước khử nước tốn kém Gross et al. Bể phản ứng màng sinh học tảo sử dụng màng quay bằng polystyrene để loại bỏ nitơ và phốt pho trong nước thải đô thị lần đầu tiên được báo cáo vào những năm 1980 Przytocka-Jusiak et al. Kể từ đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và được tổng kết bởi (Gross & Wen, 2014).
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển công nghệ nuôi cấy màng sinh học tảo quay (RAB) để tảo tăng trưởng hiệu quả, tăng sinh khối tập trung và thu hoạch dễ dàng. Công nghệ RAB gồm một màng quay vòng để các tế bào tảo bám vào và một bể chứa nước thải cung cấp chất dinh dưỡng và giữ ẩm cho tảo. Ưu điểm gồm: thu hoạch đơn giản, tốc độ truyền khối khí cao, tăng cường sử dụng ánh sáng và nâng cao năng suất sinh khối. Nghiên cứu kéo dài nhiều năm đã chứng minh năng suất sinh khối tăng trung bình 302% khi sử dụng công nghệ RAB so với ao nuôi đối chứng (Gross & Wen, 2014).
Nghiên cứu này cho thấy rằng hệ thống RAB là một hệ thống nuôi tảo hiệu quả và có tiềm năng lớn để sản xuất thương mại vi tảo 2 với năng suất cao và XLNT hiệu quả. Từ những ưu điểm trên đề tài: “Ứng dụng công nghệ màng sinh học tảo quay sản xuất tảo kết hợp xử lý nước thải” được hình thành.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài ứng dụng công nghệ RAB sản xuất tảo kết hợp XLNT nhằm đạt các mục tiêu sau: - Mục tiêu nghiên cứu của giai đoạn 1 là xác định xem tải trọng N nào cho hiệu quả cao và năng suất sinh khối tốt. Ngoài tải trọng N, hiệu quả xử lý của RAB còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như thời gian lưu nước, thời gian lưu sinh khối lơ lửng/bám dính,… Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên đề tài này chỉ nhằm vào mục tiêu đánh giá tải trọng N trước, các nghiên cứu tiếp theo của sinh viên sẽ tiếp tục nghiên cứu thêm các yếu tố này để tìm ra được điều kiện vận hành tối ưu cho hệ RAB. - Mục tiêu của nghiên cứu của giai đoạn 2 là dựa trên tải trọng N tối ưu giai đoạn 1 đánh giá khả năng loại bỏ N, P, COD và năng xuất sinh khối trong hệ thống cộng sinh của vi tảo và vi khuẩn hình thành tự nhiên trong nước thải sau xử lý kỵ khí.3 Nội dung nghiên cứu 1.1 Ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến sự tăng trưởng sinh khối và hiệu quả tiêu thụ dinh dưỡng của tảo trong RAB Mục tiêu đầu tiên của nghiên cứu này được khảo sát thông qua các tải trọng Nitơ lần lượt 0,01; 0,02; 0,03 (kgNitơ.m3/ngày) hoạt động trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ trong 3 tháng với tỷ lệ vi tảo: vi khuẩn hình thành tự nhiên.
Nồng độ sinh khối lơ lửng ban đầu là 1 – 2 (g/L). Môi trường trong RAB là nước thải tổng hợp có chứa chất dinh dưỡng (N, P), nhu cầu oxy hóa học (COD) ở dạng natri axetat, D-Glucose và các nguyên tố vi lượng để cho phép vi tảo phát triển. Mục tiêu là xác định tải trọng nitơ nào sẽ đạt hiệu suất cao nhất trong việc loại bỏ COD và chất dinh dưỡng, cũng như năng suất sinh khối.2 Khả năng tăng trưởng sinh khối và tiêu thụ chất dinh dưỡng của vi tảo trong RAB với nước thải sau xử lý kỵ khí Khảo sát hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng (N, P), COD và năng suất sinh khối trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ trong 50 ngày với tỷ lệ vi tảo: vi khuẩn hình thành tự nhiên. Nồng độ sinh khối lơ lửng ban đầu là 1 – 2 (g/L) môi trường nước thải sau xử lý kỵ khí.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Nước thải tổng hợp và nước thải sau xử lý kỵ khí 3 ‐ Tảo tự nhiên (hình thành ngoài trời) ‐ Hệ thống RAB qui mô pilot scale (thể tích 140L).
Mô hình RAB đặt tại Phòng thí nghiệm trọng điểm xử lý chất thải bậc cao - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: 21/03/2022 – 18/12/2022.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Tình hình nghiên cứu nước ta hiện nay thường sử dụng hệ thống xử lý nước thải kết hợp nuôi cấy tảo thường được sử dụng phổ biến nhất là ao ổn định chất thải (Waste stabilization pond systems – WSP), ao nuôi tảo tốc độ cao (HRAP) Van Do et al. (2020), dạng bể quang sinh học, các hệ thống này nuôi tảo dạng lơ lửng dẫn đến thu hoạch sinh khối khó khăn. Một số nghiên cứu khác sử dụng tăng trưởng bám dính dạng đĩa quay, dùng tảo Chlorella Vulgaris loại bỏ amoni và phốt phát trong nước thải chăn nuôi heo, dùng vải cotton làm vật liệu cho tảo bám dính, sản lượng sinh khối bám dính đạt 1.ngày rất thấp (Duy Thanh & Kiều Phương, 2020).
Trước tình hình đó, nghiên cứu này tạo ra một hướng đi mới cho ngành XLNT, vừa đưa ra công nghệ mới XLNT với chi phí vận hành thấp, phù hợp với điều kiện hiện tại của địa phương nhằm tạo mô hình nhân rộng trên toàn thế giới. Sử dụng tảo vào công nghệ để tăng cường XLNT theo phương pháp tự nhiên, đồng thời tạo cảnh quan sinh thái cho khu vực. Mô hình còn là địa điểm phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học cho sinh viên.2 Ý nghĩa thực tiễn Hướng nghiên cứu này mở ra hướng phát triển kinh tế mới: Sinh khối thu được dễ dàng thu hoạch từ màng sinh học với cơ chế cạo, cung cấp sinh khối tảo có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất nhựa sinh học, phân bón, nhiên liệu sinh học, thức ăn nuôi cấy thủy sản và các sản phẩm bền vững khác. Bên cạnh đó tảo có thể XLNT, mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp, địa phương và xã hội.
Tảo sẽ giúp cắt giảm lượng khí thải CO2.3 Tính mới của đề tài Hệ thống RAB có thể nuôi tảo với chi phí thấp hơn và được chứng minh là có lợi nhuận ở quy mô nhỏ hơn so với kiểu nuôi tảo trong ao mương.
