Nghiên cứu xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải bằng hệ sinh khối tảo bùn hoạt tính

- So sánh, đánh giá ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối trong điều kiện nhân tạo và tự nhiên lên hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng/hữu cơ và tăng trưởng/sinh khối của hệ thống Photobioreactor..

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN NGỌC TIẾN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ VÀ CHẤT DINH

DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI BẰNG HỆ SINH KHỐI

TẢO – BÙN HOẠT TÍNH

STUDY ON REMOVAL OF ORGANIC AND NUTRIENT

MATTERS IN WASTEWATER USING ALGAE – ACTIVATED SLUDGE CULTURE

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 85.20.320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Xuân Thành

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Thị Kim Oanh

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Công Nhất Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 23 tháng 01 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Phước Dân - Chủ Tịch Hội Đồng

2 PGS.TS Lê Thị Kim Oanh - Phản Biện 1

3 TS Lê Công Nhất Phương .- Phản Biện 2

4 TS Nguyễn Thái Anh - Ủy Viên

5 TS Võ Nguyễn Xuân Quế .- Thư Ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Tiến

Ngày, tháng, năm sinh: 29/11/1994

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

MSHV: 1870662 Nơi sinh: Bình Định

Mã số : 8520320

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ VÀ CHẤT DINH

DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI BẰNG HỆ SINH KHỐI TẢO – BÙN HOẠT

TÍNH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N khác nhau đến hiệu quả loại bỏ chất

dinh dưỡng/hữu cơ và tăng trưởng/sinh khối với hệ thống Photobioreactor

- So sánh, đánh giá ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối trong điều kiện nhân tạo và

tự nhiên lên hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng/hữu cơ và tăng trưởng/sinh khối của hệ

thống Photobioreactor

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/09/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/01/2021

Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban Chủ Nhiệm khoa Môi Trường và Tài Nguyên và đặc biệt là Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, những người đã tận tình dìu dắt, truyền đạt những kiến thức bổ ích trên lý thuyết lẫn thực tế cho em trong suốt quá trình học tập tại trường

Để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này, em xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy Bùi Xuân Thành, dù bận nhiều việc khác nhau nhưng thầy luôn dành thời gian cho em, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, trang bị cho em những kiến thức, bài học quý báu, những kinh nghiệm ngoài thực tế trong suốt quá trình hoàn thành bài luận văn này

Cuối cùng, em xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè đã đồng hành, động viên và hỗ trợ, góp ý trong suốt quá trình học tập và trong bài luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2021

Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Tiến

Nghiên cứu này đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng/tối đến sản xuất sinh khối và hiệu quả xử lý chất hữu cơ/dinh dưỡng trong đồng nuôi cấy vi tảo: bùn hoạt tính với nước thải tổng hợp Ba PBRs thử nghiệm được vận hành ở tỷ lệ COD/N là 1:1, 5:1 và 10:1 trong nuôi cấy mẻ mà không cần sục khí Năng suất sinh khối cao nhất và hiệu quả xử lý COD, TN, TP cao nhất được tìm thấy ở tỷ lệ C/N là 5:1 Trong đó, năng suất sinh khối đạt 132.5 mg L-1 ngày-1 và hiệu quả xử lý COD,

TN, TP lần lượt là 88,33%, 90,17% và 95% Tỷ lệ COD/N = 5:1 thúc đẩy năng suất sinh khối của vi tảo hơn vi khuẩn, do đó nước thải có COD/N = 5:1 có lợi cho quá trình làm giàu sinh khối vi tảo Vì vậy, tỷ lệ COD/N là yếu tố chính trong sản xuất sinh khối trong hệ thống đồng nuôi cấy và xử lý chất hữu cơ/dinh dưỡng Bên cạnh

đó, chu kỳ sáng tối được báo cáo là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến sản xuất sinh khối vi tảo, tốc độ tăng trưởng Nghiên cứu chỉ ra rằng, vận hành PBBs theo chế độ từng mẻ với tỷ lệ COD/N = 5:1 và thời gian lưu sinh khối 7 ngày được tối đa hóa dưới chu kỳ sáng tối nhân tạo Trong đó, tổng hàm lượng sinh khối khô đạt 835

mg L-1 và hiệu quả xử lý COD là 82,14%, TN là 74.45% và TP là 82.72%

Từ khóa: Tỷ lệ COD/N, đồng nuôi cấy vi tảo: bùn hoạt tính, sản xuất sinh khối, chu

kỳ sáng tối

This study investigated the effect of COD/N ratio and light/dark cycle on biomass production and organic/nutrient treatment efficiency in co-culture microalgal: activated sludge with synthetic wastewater The three tested PBRs operated at COD/N ratios were 1: 1, 5: 1, and 10: 1 in batch culture without aeration The highest biomass productivity and COD, TN, and TP removal efficiency were found at the COD/N ratio

of 5:1 In which, biomass productivity reached 132.5 mg L-1 day-1 and removal efficiency of COD, TN and TP were 88.33%, 90.17% and 95%, respectively The ratio COD/N = 5:1 promotes the biomass productivity of microalgae more than bacteria, so the wastewater with COD/N = 5: 1 was beneficial for microalgae biomass enrichment Therefore, the COD/N ratio was the main factor in biomass production in co-culture and organic/nutrient processing systems Besides, the light dark cycle was reported to be one of the main factors affecting microalgae biomass production, specific growth rate The study showed that operating PBBs in batch mode with COD/N = 5:1 ratio and fix 7-days biomass retention time under artificial light dark cycle In which, the total dry biomass content reached 835 mg L-1, and COD removal efficiency was 82.14%, TN was 74.45% and TP was 82.72%

Keywords: COD/N ratio, co-culture microalgae: activated sludge, biomass

production, light dark cycle

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong bài báo cáo là trung thực, không sao chép từ bất cứ đề tài nghiên cứu khoa học nào khác Các kết quả nghiên cứu trước đó đã được trích dẫn đầy đủ

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2021

Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Tiến

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Nội dung nghiên cứu 4

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 5

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 5

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 5

1.6 Tính mới của đề tài 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 7

2.1 Tổng quan về vi tảo 7

2.1.1 Chlorella sp 7

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella 8

2.2 Vi khuẩn trong bùn hoạt tính 14

2.2.1 Đặc điểm sinh học 14

2.2.2 Ứng dụng vi khuẩn trong xử lý nước thải 15

2.3 Mối quan hệ cộng sinh của vi tảo và vi khuẩn 16

2.3.1 Giới thiệu 16

2.3.2 Tương tác giữa vi tảo và vi khuẩn 18

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ sinh khối tảo-vi khuẩn trong photobioreactor 21

2.4 Ánh sáng 29

2.5 Tổng quan về một số loại nước thải thường được sử dụng cho hệ sinh khối tảo –

bùn hoạt tính 31

2.5.1 Nước thải sản xuất rượu 31

2.5.2 Nước thải sinh hoạt 33

2.5.3 Nước thải chăn nuôi heo 40

2.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 41

2.6.1 Tinh hình nghiên cứu trong nước 41

2.6.2 Tinh hình nghiên cứu ngoài nước 41

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

3.1 Vật liệu nghiên cứu 44

3.1.1 Vi tảo 44

3.1.2 Bùn hoạt tính 44

3.1.3 Nước thải tổng hợp 44

3.2 Sơ đồ nghiên cứu 46

3.3 Thiết kế thí nghiệm 47

3.3.1 Nội dung 1 47

3.3.2 Nội dung 2 49

3.4 Vị trí và tần suất lấy mẫu 51

3.5 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 53

3.5.1 Nồng độ sinh khối khô (TSS) 53

3.5.2 Các thông số khác 54

3.5.3 Cân bằng Nitơ 56

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58

4.1 Nội dung 1 58

4.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N đến tăng trưởng sinh khối và sự thay đổi của pH và Oxy hòa tan (DO) 58

4.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N đến loại bỏ chất hữu cơ 71

4.2 Nội dung 2 73

4.2.1 Ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối lên sự tăng trưởng sinh khối và sự thay đổi pH và DO 73

4.2.2 Ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối đến loại bỏ chất dinh dưỡng 78

4.2.3 Ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối đến loại bỏ chất hữu cơ 83

4.2.4 Ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối đến phân bố kích thước hạt 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC i

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng đến sự phát triển của các loài vi tảo khác

nhau 22

Bảng 2.2: Cường độ ánh sáng tối ưu và chu kỳ sáng/tối cho các loài khác nhau 24

Bảng 3.1: Nồng độ COD, N-NH4+ và TP trong nước thải tổng hợp (nội dung 1) 45

Bảng 3.2: Nồng độ COD, N-NH4+ và TP trong nước thải tổng hợp (nội dung 2) 46

Bảng 3.3: Vị trí, tuần suất lấy mẫu của hệ thống PBRs (nội dung 1) 51

Bảng 3.4: Vị trí, tuần suất lấy mẫu của hệ thống PBRs (nội dung 2) 52

Bảng 3.5: Vị trí, tuần suất lấy mẫu của hệ thống PBRs (nội dung 1) 55

Bảng 4.1: Tốc độ tăng trưởng cụ thể và năng suất sinh khối của vi tảo và bùn hoạt tính theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 60

Bảng 4.2: So sánh tỷ lệ COD/N và sản lượng sinh khối với các nghiên cứu trước đây 63

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ các tương tác cộng sinh của tảo-vi khuẩn trong xử lý nước thải 17

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống PBRs (nội dung 1) 48

Hình 3.2: Hệ thống PBR thực tế 48

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống PBR (ánh sáng nhân tạo) 50

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống PBR (ánh sáng tự nhiên) 50

Hình 3.5: Hệ thống PBR thực tế (ánh sáng nhân tạo) 50

Hình 3.6: Hệ thống PBR thực tế (ánh sáng nhân tự nhiên) 50

Hình 4.1: Tổng sinh khối khô theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 58

Hình 4.2: Thành phần sinh khối của vi tảo và bùn hoạt tính theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 59

Hình 4.3: Sự thay đổi DO ở các tỷ lệ COD/N khác nhau 65

Hình 4.4: Sự thay đổi pH ở các tỷ lệ COD/N khác nhau 66

Hình 4.5: Loại bỏ TN trong PBRs hoạt động theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 67

Hình 4.6: Sự chuyển hóa Nitơ trong PBRs theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 69

Hình 4.7: Loại bỏ TP trong PBRs hoạt động theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 71

Hình 4.8: Loại bỏ COD trong PBRs hoạt động theo các tỷ lệ COD/N khác nhau 72

Hình 4.9: Tổng sinh khối khô theo các chu kỳ sáng tối khác nhau 74

Hình 4.10: Thành phần sinh khối của vi tảo và bùn hoạt tính theo các chu kỳ sáng/tối khác nhau 74

Hình 4.11: Cường độ ánh sáng và nhiệt độ của chu kỳ sáng tối tự nhiên 75

Hình 4.12: Sự thay đổi pH ở các chu kỳ sáng tối khác nhau 77

Hình 4.13: Sự thay đổi DO ở các chu kỳ sáng tối khác nhau 78

Hình 4.14: Loại bỏ TN trong PBRs theo các chu kỳ sáng/tối khác nhau 79

Hình 4.15: Sự chuyển hóa Nitơ trong PBRs theo các chu kỳ sáng tối khác nhau 81

Hình 4.16: Loại bỏ TP trong PBRs hoạt động theo các chu kỳ sáng tối khác nhau 82

Hình 4.17: Loại bỏ COD trong PBRs hoạt động theo các chu kỳ sáng tối khác nhau 83

Hình 4.18: Phân bố kích thước hạt ở các điều kiện ánh sáng khác nhau 85

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASP Quá trình bùn hoạt tính Activated sludge process

B Chạy mẻ không liên tục Batch

BOD Nhu cầu oxy hóa sinh học Biochemical Oxygen Demand BRT Thời gian lưu sinh khối Biomass Retention Time COD Nhu cầu oxy hóa hóa học Chemical Oxygen Demand HRT Thời gian lưu nước Hydraulic Retention Time

MLSS Hỗn hợp chất rắn lơ lửng Mixed Liquoz Suspended

Solids MPBR Màng quang sinh hóa Membrane Photobioreactor PBR Quang sinh hóa Photobioreactor

PSD Phân bố kích thước hạt Particle Size Distribution

SBR Bể bùn hoạt tính hoạt động theo mẻ

liên tục Sequencing Batch Reactor SRT Thời gian lưu bùn Sludge Retention Time

TSS Tổng chất rắn lơ lửng Total Volatile Solid

VSV Vi sinh vật

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Việc thải ra môi trường nước thải sinh hoạt và công nghiệp giàu chất dinh dưỡng làm tăng nguy cơ phú dưỡng hóa của nguồn tiếp nhận bởi các chất dinh dưỡng, đặc biệt là nitơ và phốt pho Là nguyên nhân chính gây ra sự giảm oxy trong nước, gây ra hiện tượng tảo nở hoa, xáo trộn sự cân bằng của hệ sinh thái trong nước

và từ đó làm giảm chất lượng nước Do đó, cần phải loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước thải để ngăn chặn sự phú dưỡng hóa của các vùng tiếp nhận nước [1]

Việc loại bỏ các chất dinh dưỡng này thông thường sử dụng quá trình bùn hoạt tính (ASP) Quá trình bùn hoạt tính tập trung chủ yếu vào việc loại bỏ BOD hoặc COD, bỏ qua việc loại bỏ đầy đủ nitơ và phốt pho Các quá trình này là các chuỗi tuần tự, các quá trình kỵ khí, thiếu khí, hiếu khi và các hệ thống lai hợp của những công nghệ được đưa ra Hơn nữa, quá trình ASP bị hạn chế do tiêu thụ năng lượng cao, vì nó phải cung cấp oxy cho quá trình hô hấp và quá trình trao đổi chất của vi khuẩn Thông thường năng lượng cho việc sục khí chiếm từ 60% - 80% tổng năng lượng được sử dụng của quá trình xử lý bằng quá trình ASP [2] Để loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học các quá trình lai hợp được ra đời như Bardenpho, kỵ khí-thiếu khí-hiếu khi…là một lựa chọn khả thi Tuy nhiên, do chi phí cao, điều kiện vận hành phức tạp cùng với lượng bùn thải được thải ra lớn là những nhược điểm của

các quá trình này khiến chúng không phù hợp cho mục đích loại bỏ các chất dinh

dưỡng [3] Điều cần thiết nhất của một quá trình là việc loại bỏ các chất dinh dưỡng

và tiết kiệm năng lượng Đồng thời có thể áp dụng cho các loại nước thải khác nhau

như nước thải đô thị, nước thải nhà máy rượu, bia, chăn nuôi…[4, 5]

Trong nhiều thập kỷ, tảo được đánh giá có tiềm năng xử lý nước thải vì hiệu quả trong xử lý và chi phí thấp Vi tảo có khả năng sử dụng carbon vô cơ (CO2) và các thành phần dinh dưỡng để tăng sinh khối Sinh khối sau quá trình xử lý có thể được sử dụng làm nguồn cho nhiều nhiều lĩnh vực, bao gồm các sản phẩm y tế, dược

phẩm, thuốc nhuộm màu, nhựa sinh học, thức ăn chăn nuôi và đặc việt là sản xuất

nhiên liệu sinh học [6]

Vi tảo có khả năng đồng hóa chất dinh dưỡng cao và sản xuất sinh khối trong

một thời gian ngắn (<24 h) [7] Trong đó quá trình quang hợp của vi tảo đã tạo ra

oxy để cung cấp oxy cho quá trình ASP [5] Do đó, vi tảo có thể đóng vai trò là một thiết bị sục khí, và có thể thay thế cho hệ thống sục khí cơ học và cắt giảm chi phí

năng lượng cho sục khí trong ASP [7] Dựa trên cơ chế này, vi tảo và vi khuẩn khả

năng cộng sinh với nhay trong môi trường nước thải Theo báo cáo cho hệ thống đồng nuôi cấy, vi tảo tiêu thụ nitơ và phốt pho trong nước thải để sản xuất sinh khối trong khi vi khuẩn chuyển hóa các chất hữu cơ ở mức độ lớn hơn Tuy nhiên xử lý dinh dưỡng và sản xuất sinh khối trong hệ thống đồng nuôi cấy vi tảo-vi khuẩn bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm tỷ lệ nuôi cấy khác nhau (bùn hoạt tính : vi tảo), điều kiện vận hành, cường độ khuấy trộn, chu kỳ sáng tối…[8]

Một nghiên cứu về quá trình cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn với tỷ lệ nuôi cấy 3:1 và 1:1 (wt/wt) đã chứng minh hiệu quả loại bỏ COD cao hơn 37,5 – 45,7%

so với hệ thống nuôi cấy vi tảo đơn lẻ Tuy nhiên, đánh giá kết hợp dựa trên hiệu suất xử lý và năng suất sinh khối của 2 tỷ lệ 3:1 và 1:1 lần lượt là 1,06 g.L-1; 1,12 g.L-1 thì tỷ lệ 3:1 được cho là tỷ lệ tối ưu cho hoạt động PBR đồng nuôi cấy với tỷ lệ

COD/N = 2,5:1 [9]

Ngoài ra, đặc tính nước thải hay tỷ lệ COD/N là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải và sản xuất sinh khối [10] Hơn nữa, việc xử lý nước thải có tỷ lệ COD/N đang là vấn đề đang được quan tâm Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ có một vài nghiên cứu đã đánh giá tác động của các tỷ lệ COD/N có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả xử lý nước thải của vi tảo [11, 12] Tỷ lệ COD/N quá thấp hoặc quá cao có thể ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng thấp của vi tảo và hiệu quả loại bỏ nitơ, phốtphát thấp trong nước thải Ngoài ra, tỷ lệ COD/N cũng rất quan trọng đối với sự phát triển của vi tảo khi đồng nuôi cấy với nấm hoặc vi khuẩn Khi

thiếu nguồn carbon hoặc nguồn nitơ không đủ, việc loại bỏ chất ô nhiễm giảm Để khử nitơ hoàn toàn, tỷ lệ COD/N có ảnh hưởng thường phải cao hơn 7.1 như nước thải chăn nuôi [13] Sun và cộng sự., 2010 đã xác định nước thải có tỷ lệ COD/N thấp hơn 8,0 là nước thải có tỷ lệ COD/N thấp Trên thực tế, nhiều chất thải được đặc trưng là tỷ lệ COD/N thấp như vậy như nước thải rỉ rác, sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải sản xuất rượu và nước thải kỵ khí [1, 14]

Hơn nữa, ánh sáng là một thông số quan trọng trong nuôi cấy vi tảo Cụ thể rằng cường độ ánh sáng, tần số ánh sáng và chu kỳ sáng tối đã được nghiên cứu là

có ảnh hưởng đến năng suất của vi tảo và hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng Một nghiên cứu của Lee và cộng sự., 2015 về sự ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối trong ba điều kiện chu kỳ (12h sáng :12h tối , 36h sáng :12h tối và 60h sáng :12h tốí) đối với việc loại bỏ chất dinh dưỡng, sản xuất sinh khối và động học của quần thể tảo-vi khuẩn trong mô hình quang sinh hóa quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải đô thị Sau khi vận hành theo mẻ trong 12 ngày, hiệu quả loại bỏ lần lượt là 59–80% carbon, 35–88% nitơ và 43–89% phốt pho so với đầu vào Kết quả cũng chỉ ra rằng việc loại bỏ carbon có liên quan mật thiết đến độ dài của chu kỳ tối, trong khi loại bỏ nitơ và phốt pho thì ngược lại Tuy nhiên, điều đáng lưu ý là sinh khối vi sinh vật cao nhất về chất diệp lục a, trọng lượng tế bào khô và các dấu hiệu gen rRNA của tảo/vi khuẩn được tạo ra trong chu kỳ 12h sáng: 12h tối [15]

Bất kỳ sự thành công quá trình nuôi cấy tảo nào cũng phụ thuộc vào năng suất sinh khối cao Để hỗ trợ quá trình chuyển hóa quang hợp, vi tảo chủ yếu cần

CO2 và nguồn sáng Ánh sáng mặt trời là lựa chọn kinh tế nhất để nuôi trường vi tảo ngoài trời, là nguồn năng lượng hiệu quả nhất cho sản xuất vi mô nhưng việc khai thác ánh sáng mặt trời làm nguồn sáng có những hạn chế, bao gồm sự thay đổi về thời tiết, chu kỳ sáng tối và thay đổi theo mùa, ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng và chu kỳ sáng tối của nó Mặt khác, chiếu sáng nhân tạo có thể điều chỉnh tốt hơn các photon ánh sáng và chu kỳ sáng tối, dẫn đến tốc độ quang hợp tăng cường và do đó,

sinh khối cao hơn Đồng thời, nhu cầu năng lượng cao dẫn đến sự gia tăng chi phí nuôi cấy và điều này có thể gây cản trở ở quy mô công nghiệp [16]

Tuy nhiên, những nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng tối của hệ đồng nuôi cấy tảo – vi khuẩn còn hạn chế Vì vậy, nghiên cứu khảo sát

ảnh hưởng cần được mở rộng nghiên cứu là cần thiết

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề xuất ứng dụng hệ thống photo bioreactor (PBR) dùng hệ sinh khối tảo-vi khuẩn cho xử lý COD và Nitơ trong điều kiện thực tế

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nước thải có thành phần tỷ lệ COD/N khác nhau

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu có quy mô phòng thí nghiệm Nước thải sử dụng là nguồn nước thải tổng hợp

1.4 Nội dung nghiên cứu

1) Ứng dụng đồng nuôi cấy tảo-vi khuẩn để xử lý các loại nước thải khác nhau với tỷ lệ COD/N lần lượt là 1:1, 5:1, 10:1 trong photobioreactor (PBRs)  Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N khác nhau đến hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng (nitơ và phốt pho)/hữu cơ (COD) và tăng trưởng/sinh khối (đánh giá hàm

lượng sinh khối dựa vào TSS, Chlorophyll-a và sau đó được chuyển thành trọng

lượng sinh khối khô để xác định tốc độ tăng tưởng riêng và năng suất sinh khối của tảo và vi khuẩn)

2) Mô hình photobioreactor (PBR) được vận hành với nước thải có tỷ lệ COD/N mà cho hiệu suất xử lý chất dinh dưỡng/hữu cơ, năng suất sinh khối cao nhất ở nội dung 1, cùng với thời gian lưu sinh khối (BRT) cố định là 7 ngày được

vận hành liên tục theo chế độ mẻ 5 phút nạp nước; 23.30 giờ phản ứng; 20 phút lắng

và 5 phút rút nước với chu kỳ sáng tối (12 giờ sáng :12 giờ tối) trong điều kiện nhân tạo và tự nhiên  So sánh, đánh giá của chu kỳ sáng tối (12 giờ:12 giờ) trong điều kiện nhân tạo và tự nhiên lên hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng/hữu cơ và tăng trưởng/sinh khối của hệ thống PBR

Trong suốt quá trình thí nghiệm các thông số về chất lượng nước COD, TP, NH4+

-N, NO3--N, NO2--N ), các điều kiên môi trường nuôi cấy (pH, DO, nhiệt độ) và đánh

giá sinh khối (TSS , kính hiển vi, đo PSD, nồng độ Chlorophyll-a) được đo đạc và

phân tích

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

- Chứng minh bằng thực nghiệm có thể sử dụng sinh khối tảo – vi khuẩn để xử

lý nguồn nước thải khác nhau bị nhiễm COD và Nitơ

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là tài liệu giúp cho các nguồn nước thải nhiễm COD và Nitơ, đề ra các giải pháp xử lý nguồn nước thải một cách hiệu quả

- Giải quyết được một lượng nước thải ngày càng gia tăng, tiết kiệm được chi phí vận hành và rủi ro về môi trường

- Kiến nghị phương pháp xử lý nguồn nước thải bị ô nhiễm COD và Nitơ phù hợp với điều kiện kinh tế và chi phí ở Việt Nam

1.6 Tính mới của đề tài

Khảo sát về ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N và chu kỳ sáng tối để xử lý nước thải, sản xuất sinh khối vẫn còn ít nghiên cứu đề cập Vì vậy nghiên cứu xử lý COD

và Nitơ trong nước thải bằng hệ sinh khối tảo – vi khuẩn là một giải pháp hiệu quả

do xử lý được một lượng nước thải , hiệu quả về kinh tế do chi phí vận hành thấp,

nguồn sinh khối tảo được thu hồi để sử dụng cho các mục đích khác nhau, tránh các rủi ro về môi trường

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về vi tảo

2.1.1 Chlorella sp

2.1.1.1 Hình thái, cấu tạo

Chlorella là một chi tảo lục đơn bào và không có khả năng di động Thông

thường, tế bào Chlorella có hình cầu hoặc hình elip và kích thước tế bào có thể có

đường kính từ 2 đến 15 μm

2.1.1.2 Quá trình sinh sản

Chlorella có thể chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng

hóa học thông qua quá trình quang hợp Thông qua quá trình quang hợp hiệu

quả, Chlorella có thể tự sinh sản trong vòng vài giờ, chỉ cần ánh sáng mặt trời,

carbon dioxide, nước và một lượng nhỏ chất dinh dưỡng

Chlorella phân bố rộng rãi trong các khu vực đa dạng như nước ngọt, nước

biển, đất, thậm chí còn sống cộng sinh với địa y và động vật nguyên

sinh Chlorella không có vòng đời hữu tính và tự sinh sản thông qua sản xuất bào

tử vô tính Khi trưởng thành, các bào tử tự động đồng thời được giải phóng thông qua việc vỡ thành tế bào mẹ Số lượng tế bào tự bào tử sinh ra từ một tế bào mẹ có thể thay đổi rất nhiều từ 2 đến 16 (thậm chí có trường hợp tạo ra 64 tự bào tử) sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách xé màng tế bào

mẹ Các tế bào trẻ này sẽ lớn lên và phát triển đến giai đoạn chín, có khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu)

2.1.1.3 Quá trình sinh trường và phát triển

Với chế độ dinh dưỡng thích hợp và điều kiện lý học thuận lợi quá trình sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau:

Pha chậm: Do sự trao đổi chất của tảo giảm dẫn đến tế bào gia tăng kích thước nhưng không có sự phân chia

Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục, phụ thuộc vào kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ…

Pha tăng trưởng chậm: sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đổi một yếu tố nào đó

Pha suy tàn: nguồn dinh dưỡng cạn kiệt, tảo ở giai đoạn suy tàn

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella

2.1.2.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ trung bình trên toàn cầu đang tăng lên một cách nhanh chóng, do sự mất cân bằng khí được tạo ra bởi các hoạt động của con người, tạo ra hiệu ứng nhà kính trên hành tinh Dự báo rằng trước khi kết thúc thế kỷ 21, nhiệt độ trung bình toàn cầu của bề mặt biển sẽ tăng 1,4oC – 5,8oC [34] Nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của tảo và, để tối ưu hóa sự phát triển, điều cần thiết là kiểm soát nhiệt độ trong các thí nghiệm liên quan đến tảo [17] Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp tổng thể của vi tảo bằng cách trải qua quá trình phân chia

tế bào, do đó, ảnh hưởng đến năng suất sinh khối của vi tảo

Sự phân chia tế bào xảy ra do sự gia tăng hoạt động của các enzyme liên quan đến chu trình Calvin Sự giảm tốc độ tăng trưởng là do áp lực nhiệt mà tảo trải qua

và điều này dẫn đến sự biến tính của protein và bất hoạt của các enzym tham gia vào quá trình quang hợp [18, 19] Tốc độ tăng trưởng tối đa với đối với nhiệt độ có thể được ước tính bằng biểu thức Arrhenius sau (l)

𝜇 = 𝐴′𝑒−(𝑅𝑇)𝐸𝑙Trong đó: 𝐴′ là hằng số / (ngày), El là năng lượng hoạt hóa của sinh trưởng phản ứng giới hạn (J / mol), R là hằng số khí lý tưởng, và T là nhiệt độ tuyệt đối (o

K)

Tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ hiện hành, các chủng vi tảo nên được lựa chọn thích hợp vì điều này giúp tăng cường sự phát triển của chủng vi sinh đang được nghiên cứu Sự hấp thụ chất dinh dưỡng và thành phần hóa học của tế bào ở vi tảo cũng chịu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ Trong một số trường hợp nhất định,

áp dụng nhiệt độ hạn chế tương tác dinh dưỡng [20] Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt độ tăng sẽ làm tăng sự phát triển của vi tảo lên đến giá trị tối ưu, và sau đó giảm khi nhiệt độ tăng thêm [21] Nhiệt độ <16oC và> 35oC được coi là bất lợi cho

sự phát triển của vi tảo Theo một nghiên cứu, nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của Chlorella vulgaris được báo cáo là từ 25oC đến 30oC [22]

2.1.2.2 Ánh sáng

Tảo hấp thụ năng lượng ánh sáng khi có ánh sáng và lưu trữ dưới dạng adenosine triphosphate (ATP) và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, được sử dụng để sản xuất sinh khối trong chu kỳ tối Trong chu kỳ ánh sáng, nước bị thủy phân để tạo thành oxy và trong chu kỳ tối, carbon dioxide được các thành phần

tế bào hấp thụ thông qua chu trình Calvin Cũng trong chu kỳ tối, vi tảo này tạo ra carbohydrate, protein và lipid [23, 24] Ánh sáng tác động đến sự phát triển của vi tảo dưới bất kỳ một trong ba điều kiện ánh sáng khác nhau, đó là giới hạn ánh sáng, bão hòa ánh sáng và ức chế ánh sáng Khi điều kiện hạn chế ánh sáng, sự phát triển của tảo tăng lên khi cường độ ánh sáng tăng lên Ở độ bão hòa ánh sáng, hoạt động quang hợp giảm do sự hấp thụ photon vượt quá số lượng điện tử luân chuyển, do đó

ức chế quang hợp Khi cường độ ánh sáng được tăng thêm nữa, một thiệt hại không thể phục hồi xảy ra đối với bộ máy quang hợp, và quá trình này được gọi là sự ức chế quang Ngoài ra, một số nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng quang chu kỳ có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của vi tảo

Chu kỳ và cường độ của ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và quang hợp của vi tảo Một nghiên cứu đã tiết lộ rằng vi tảo có xu hướng phát triển mạnh mẽ dưới ánh sáng xanh lam (λ ~ 420 – 470 nm) hoặc ánh sáng đỏ (λ ~ 660

nm) Người ta cũng quan sát thấy rằng ánh sáng đỏ thúc đẩy sự phát triển của các tế bào vi cực

Trong một thí nghiệm, ánh sáng cho Chlorella vulgaris là được điều chỉnh ở 3,960, 7,920 và 11,920 lux mà không kiểm soát độ pH Chu kỳ gian sáng tối là 12/12 giờ Người ta quan sát thấy sự phát triển tối đa của các tế bào dưới 3.960 lux [25] Sự phát triển của bốn chủng vi tảo là Chlorella vulgaris, Pseudokirchneriella subcapitata, Synechocystis salina, và Microcystis aeruginosa đã được nghiên cứu dưới các bức xạ ánh sáng khác nhau là 2.664, 4.440, 8.880 và 13.320 lux (36, 60,

120, và 180 µmol /m2.s ) với các tỷ lệ sáng / tối khác nhau (10:14, 14:10 và 24: 0) Các kết quả quan sát cho thấy tốc độ tăng trưởng và sinh khối cao nhất năng suất của tất cả các loài được nghiên cứu đã đạt được ở bức xạ 13.320 lux bằng cách chiếu sáng liên tục cho 24h [26] Một nghiên cứu sử dụng đèn LED (đỏ, trắng tự nhiên, trắng ấm và xanh lam) ở các cường độ ánh sáng khác nhau là 3.700, 5.920 và 8.140 lux (50, 80 và 110 µmol /m2.s) về năng suất sinh khối của Chlorella vulgaris cho thấy rằng ánh sáng trắng ấm (380 –760 nm) với 80 µmol /m2.s là tối ưu để nâng cao năng suất sinh khối và tốc độ quang hợp [27]

HCO3- - - - - Carbonic anhydrase - - - > CO2 - + OH

-Theo sinh lý học của vi tảo, người ta quan sát thấy màng quang hợp hoặc lục lạp thực hiện các chức năng sống ở một phạm vi pH cụ thể, vì pH của môi trường

được biết là ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở vi tảo Thật vậy, pH cao cũng như

pH thấp đều làm giảm tốc độ quang hợp Ở độ pH cao, xu hướng hấp thụ các kim loại vi lượng và chất dinh dưỡng có thể bị thay đổi Tương tự, ở pH thấp, sự ức chế enzym xảy ra trong quá trình quang hợp và có khả năng cao xảy ra môi trường tăng trưởng bị ô nhiễm bởi vi sinh vật [30] Ở pH trung bình, có sự liên kết với nồng độ carbon dioxide, nghĩa là, độ pH tăng lên đều đặn khi carbon dioxide được tiêu thụ

Độ pH cũng ảnh hưởng đến sự sẵn có của các chất dinh dưỡng như sắt và hữu cơ axit Do đó, pH được coi là một yếu tố môi trường được điều chỉnh bởi cân bằng cacbonat Phạm vi pH tối ưu cho quá trình quang hợp xảy ra ở hầu hết các loài vi tảo nằm giữa 6 và 10, trong đó dạng bicacbonat được coi là chiếm ưu thế

Khi đạt đến độ mặn tối ưu, tốc độ tăng trưởng giảm khi độ mặn tăng Hầu như không có sự tăng trưởng nào được quan sát thấy khi môi trường không chứa natri clorua, và ở nồng độ natri clorua cực cao, sự phát triển bị ức chế và các tế bào

bị dài ra Sự kéo dài của các tế bào được cho là do tăng nồng độ ion bên ngoài có xu hướng ức chế tăng trưởng tế bào [32]

Vi tảo có khả năng duy trì sự cân bằng thành phần tế bào ngay cả khi có sự thay đổi đáng kể trong môi trường bên ngoài Khi điều này xảy ra, tốc độ tăng trưởng có thể chậm phát triển để duy trì hoạt động trơn tru của các cấu trúc tế bào

mà không có bất kỳ thay đổi nào trong thành phần tế bào Quá trình này được định

nghĩa là cân bằng nội môi Tuy nhiên, có một số loài vi tảo thay đổi thành phần tế bào của chúng do sự thay đổi của môi trường bên ngoài thông qua quá trình thích nghi Các điều kiện kích thích cân bằng nội môi hoặc phản ứng thích nghi hiện chưa được biết rõ [33]

2.1.2.5 Carbon dioxide

Nồng độ carbon dioxide trong không khí ngày càng tăng được coi là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu Do đó, cố định carbon dioxide về mặt sinh học có thể được coi là giúp giảm thiểu vấn đề này [34] Chụp carbon và cô lập nó về mặt sinh học được coi là an toàn cho việc giảm carbon dioxide trong môi trường Vi tảo có thể cố định carbon dioxide với hiệu suất lớn hơn thực vật trên cạn Việc lựa chọn các loài vi tảo là quan trọng để đạt được các hệ thống carbon dioxide sinh học công việc và các loài vi tảo được chọn phụ thuộc vào chiến lược liên quan đến cô lập carbon Một nghiên cứu về ảnh hưởng của các nồng

độ carbon dioxide khác nhau, cụ thể là đối chứng (không có carbon dioxide), 280,

385, 550, 750 và 1.050 ppm trên sự phát triển của Chlorella gracilis cho thấy rằng có

sự gia tăng số lượng tế bào lên đến nồng độ CO2 385 ppm, tiếp theo là giảm sự tăng trưởng quan sát được ở 550 ppm vì vi tảo không phải là CO2 dung sai trên giới hạn này [35]

vi tảo Hàm lượng phốt pho < 0,045 mg/L hoặc > 1,65 mg/L ngăn chặn sự phát triển

của vi tảo Sự phát triển của vi tảo thuận lợi khi hàm lượng phốt pho bằng 0,02 mg

L-1 [37, 38]

Một nghiên cứu trên Chlorella vulgaris và Nannochloropsis oculata tiết lộ rằng nếu nguồn cung cấp nitơ bị giảm, sự tổng hợp lipid sẽ tăng lên, trong khi không quan sát thấy ảnh hưởng đến mô hình phát triển của vi tảo [39] Trong chu trình Calvin, cacbon vô cơ từ môi trường lỏng được vi kim loại hấp thụ tế bào và chuyển thành glyceraldehyd 3-phosphate Các sự chuyển đổi của quá trình trao đổi chất theo hướng sản xuất các phân tử dự trữ hoặc chức năng phụ thuộc vào tỷ lệ giữa cacbon

và nitơ nội Ở giai đoạn sinh trưởng ban đầu của vi tảo, cacbon bên trong vượt quá

tỷ lệ C/N do tốc độ quang hợp cao, từ đó tổng hợp protein Tuy nhiên, khi quá trình tăng trưởng tiến triển, nitơ trong môi trường lỏng sẽ bị tiêu thụ và có sự chuyển dịch sản xuất từ protein sang lipid [40] Các kim loại dạng vết như sắt, mangan, coban, kẽm, niken và đồng là một số các kim loại vi lượng quan trọng được tảo yêu cầu cho các chức năng trao đổi chất Nếu không có, sự phát triển của tảo có thể hạn chế [41]

2.1.2.7 Trộn

Ảnh hưởng của ánh sáng và nhiệt độ lên vi tảo là hai các thông số tăng trưởng quan trọng và đồng thời kiểm soát cả hai có thể khó và tốn kém Là một giải pháp tiềm năng, trộn là một trong những các phương pháp đơn giản nhất để đảm bảo phân

bố ánh sáng đồng đều và nhiệt độ của tất cả các tế bào [42] Các vấn đề về bám dính thường được giải quyết bằng cách tìm kiếm các giải pháp trộn, vì che chắn ngăn vi tảo hấp thụ ánh sáng và trộn được coi là một giải pháp hiệu quả về chi phí

Sự pha trộn thích hợp có thể được cung cấp cho vi tảo một cách hiệu quả và với chi phí thấp bằng cách trộn khí Một nghiên cứu về ảnh hưởng của việc trộn trên Spirulina platensis theo ba cách (trộn với một máy khuấy từ bên trong cột, sủi bọt khí vào cột và tuần hoàn thông qua một máy bơm) cho thấy rằng sự phát triển của microalga cao nhất khi sử dụng bong bóng cột Tuy nhiên, các giá trị gần như tương tự đã được quan sát đối với khuấy và trộn đều (0,0122, 0,009 và 0,010 / h)

[43] Một nghiên cứu khác về sự pha trộn của Chlorella sp tiết lộ rằng trộn liên tục (máy bơm không khí) của nền văn hóa làm tăng sự phát triển của microalga đáng kể (lên đến 30%) [44] Quá trình trộn có xu hướng cải thiện khi tốc độ dòng khí được tăng lên Sau đó, sự sẵn có của carbon dioxide tăng lên và sự tăng trưởng cũng vậy Tùy thuộc vào nồng độ sinh khối, mức tiêu thụ carbon dioxide được kiểm soát bởi carbon dioxide gradient trong pha lỏng hoặc bằng cách chuyển carbon dioxide từ pha khí [45] Tuy nhiên, nghiên cứu bổ sung trong lĩnh vực này nên được thực hiện

để có được hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của khí hòa tan đối với sự phát triển của vi tảo

2.2 Vi khuẩn trong bùn hoạt tính

2.2.1 Đặc điểm sinh học

Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật nhân sơ đơn bào có kích thước rất nhỏ, một số thuộc loại ký sinh trùng Vi khuẩn có cấu trúc tế bào đơn giản không có nhân, bộ khung tế bào và các bào quan như ty thể và lục lạp Cấu trúc tế bào của vi khuẩn là sinh vật nhân sơ Vi khuẩn đóng vai trò cực kì quan trọng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ làm sạch nước thải Vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính:

- Vi khuẩn dị dưỡng: là những vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng, và làm nguồn năng lượng để hoạt động số, xây dựng tế bào, phát triển… Có ba loại vi khuẩn dị dưỡng: vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và tùy nghi

- Vi khuẩn tự dưỡng: là những vi khuẩn có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ

từ CO2, H2O, NH4+, PO43-… nhờ ánh sáng mặt trời hay năng lượng thải ra từ những phản ứng hóa sinh Những vi khuẩn thuộc nhóm này bao gồm: vi khuẩn nitrat hóa,

vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh…

Vi khuẩn sử dụng những chất hữu cơ có sẵn trong nước thải để phân hủy và chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời làm sạch chất ô nhiễm Các chất hữu cơ của nước thải sẽ được phân hủy đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hay tạo thành các loại khí khác nhau: CH4, H2S, NO2, N2O, N2… Ngoài ra, trong nước thải, những chất hữu cơ chủ yếu là những chất hữu cơ hòa tan, còn có những

chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng Những chất hữu cơ này sẽ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ chuyển qua quá trình đồng hóa và dị hóa

2.2.2 Ứng dụng vi khuẩn trong xử lý nước thải

Quá trình tổng hợp tế bào được thực hiện bởi vi khuẩn bởi quá trình chuyển hóa liên tục chất hữu cơ trong nước thải Vi khuẩn hấp thụ một lượng lớn các chất hữu cơ thông qua bề mặt tế bào Trong quá trình hấp thụ, nếu chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm đến 0 Một lượng chất hữu cơ

sẽ được hấp thụ để dành cho việc kiến tạo tế bào Một lượng chất hữu cơ còn lại sẽ được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp tế bào

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O  C5H7O2N + 5O2Bùn hoạt tính là nơi tập hợp nhiều loại vi sinh vật khác nhau, trong đó chất hữu cơ chứa khoảng 70-90% và chất vô cơ là 10-30% Trong hệ thống xử lý nước thải, thông thường vi khuẩn luôn luôn chiếm ưu thế (90%) Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0,3-1mm Trong hệ thống bùn hoạt tính thông thường thì vi khuẩn hiếu khí chiếm ưu thế, ngoài ra còn vi khuẩn tùy nghi và vi khuẩn yếm khí Một số vi

khuẩn dị dưỡng thường gặp trong hệ thống bùn hoạt tính là: Achromobacter,

Alcaligenes, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas, Zoogloea

Trong đó, vi khuẩn chịu trách nhiệm quá trình nitrat hóa là Nitrobacter và Nitrosomonas

NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O

Tại Việt Nam, thí nghiệm vi khuẩn Pseudomonas stutzeri và Acinetobacter

lwoffii được ứng dụng để loại bỏ amoni trong nước thải từ rác hữu cơ được thực hiện

nhằm đánh giá khả năng oxy-hóa amoni ở những nồng độ khác nhau ở điều kiện sục khí và không sục khí được thực hiện trong phòng thí nghiệm Kết quả cho thấy ở nồng độ 50 mg/l và 100mg/l vi khuẩn đều có khả năng oxy-hóa amoni rất tốt Hiệu

suất lần lượt là 98,57% và 97,2% đối với vi khuẩn Acinetobacter lwoffii và

Các nhà máy xử lý nước thải điển hình, thông thường được trang bị các quy trình xử lý bậc 2 để loại bỏ nhu cầu oxy sinh học (BOD), không thể đạt được loại bỏ

đủ chất dinh dưỡng Như vậy, quy trình xử lý bậc 3 (hoặc xử lý nâng cao) hiện nay rất cần thiết trong nhà máy xử lý để loại bỏ đầy đủ nitơ và phốt pho Để đạt được mục tiêu này, các quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học (BNR) như Bardenpho,

kỵ khí-anoxic-hiếu khí (AAO), và các quá trình cải tiến của chúng đã được phát triển để loại bỏ nitơ và phốt pho [46] Trong số đó, quy trình AAO là một quy trình

cơ bản và được sử dụng phổ biến nhất bao gồm các giai đoạn kỵ khí, anoxic và hiếu khí theo trình tự để xử lý nước thải Sau đó, việc loại bỏ nitơ, phốt pho và BOD sẽ được thực hiện trong các giai đoạn riêng biệt của hệ thống: nitơ trong hiếu khí và anoxic thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat; phốt pho trong kỵ khí và anoxic;

và BOD trong hiếu khí Trong hệ thống này, khử nitơ chủ yếu chịu trách nhiệm loại

bỏ nitơ trong khi các sinh vật tích lũy phốt phát có trách nhiệm tăng cường loại bỏ phốt pho sinh học Ngoài ra, hầu hết các quy trình BNR đều chứa các bước xử lý phức tạp và rất tốn năng lượng, chiếm 60-80% tổng nhu cầu năng lượng cho xử lý nước thải [2] Tuy nhiên do chi phí cao, điều kiện làm việc phức tạp và lượng bùn thải sinh ra lớn hơn là những nhược điểm chính của các quy trình này, khiến chúng không phù hợp cho mục đích loại bỏ chất dinh dưỡng

Hình 2.1: Sơ đồ các tương tác cộng sinh của tảo-vi khuẩn trong xử lý nước thải

Các nghiên cứu về vi tảo đã thu được lợi ích lớn do sự đa dạng của chúng được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như trong sản xuất nhiên liệu sinh học,

xử lý nước thải, giảm khí thải nhà kính, và các ngành công nghiệp dinh dưỡng và dược phẩm Vi tảo cung cấp một giải pháp tiềm năng cho kỹ thuật xử lý tiên tiến vì chúng có khả năng đồng hóa nitơ và phốt pho trong chu kỳ tăng trưởng của chúng Trong nước thải, các chất dinh dưỡng chủ yếu có mặt ở dạng amoni, nitrat và orthophosphate Vi tảo có thể chuyển đổi nitơ vô cơ và phốt pho thành các dạng hữu

cơ của chúng thông qua các quá trình đồng hóa và phosphoryl hóa [47] Những lợi ích chính của việc sử dụng vi tảo để xử lý bậc 3 là tốn ít chi phí cho quá trình, khả năng tái chế nitơ và phốt pho đồng hóa làm phân bón và giải phóng oxy vào nước thải [48] Do đó, sử dụng vi tảo là một cách thân thiện với môi trường để xử lý nước thải và việc sử dụng thành công vi tảo đã được xác nhận trong việc loại bỏ các chất

ô nhiễm từ phân, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp

Hiệu suất loại bỏ các chất dinh dưỡng bằng vi tảo với sự cộng sinh của vi khuẩn có thể được tăng cường Bằng cách nuôi cấy vi tảo và vi khuẩn cùng với nhau (như một hệ thống đồng nuôi cấy), việc loại bỏ BOD, chất dinh dưỡng hiệu quả và đồng thời có thể đạt được trong một quá trình xử lý, nếu sự tăng trưởng và duy trì của cả hai vi sinh vật đều tương thích Vi tảo có tiềm năng tốt để đồng hóa nitơ và phốt pho Mặt khác, vi khuẩn có thể phá vỡ các chất hữu cơ có trong nước thải [49] Ảnh hưởng của nuôi cấy cộng sinh liên quan đến sản xuất oxy quang hợp được sử

dụng trong hô hấp vi khuẩn để oxy hóa các hợp chất hữu cơ và kết quả là carbon vô

cơ như CO2 (một sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa vi khuẩn) được vi tảo tiêu thụ làm nguồn carbon [50] Hình 2.1 cho thấy mối quan hệ cộng sinh giữa vi tảo

và vi khuẩn trong quá trình xử lý nước thải Hệ thống đồng nuôi cấy để loại bỏ các chất dinh dưỡng và BOD đã được coi là một hệ thống sinh học thay thế cho xử lý nước thải

Một số lượng đáng kể các nghiên cứu đã được thực hiện về sự tương tác giữa

vi tảo và vi khuẩn trong xử lý nước thải do vi khuẩn tồn tại tự nhiên trong nước thải Tương tác cùng có lợi là rất quan trọng để xử lý nước thải hiệu quả bằng cách nuôi cấy Vi tảo và vi khuẩn trong hệ thống đồng nuôi cấy có thể khuyến khích sự tăng trưởng lẫn nhau bằng cách giải phóng các chất kích thích tăng trưởng (chủ yếu là các chất hữu cơ) trong môi trường nuôi cấy, và do đó làm tăng hiệu suất loại bỏ các chất dinh dưỡng Hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng bằng vi tảo có thể được tăng cường trong hệ thống đồng nuôi cấy so với hệ thống tảo đơn [51] Hiệu quả loại bỏ BOD của vi khuẩn cũng được tăng cường trong hệ thống đồng nuôi cấy [52]

2.3.2 Tương tác giữa vi tảo và vi khuẩn

Trong môi trường tự nhiên, vi tảo và vi khuẩn tồn tại cùng nhau Như một kết quả đã cho thấy mối quan hệ có lợi hoặc có hại Vi khuẩn có thể thúc đẩy hoặc kìm hãm sự phát triển của tảo bằng cách tạo ra các yếu tố tăng trưởng hoặc phycotoxin Mặt khác, tảo cũng có thể ức chế hoặc thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn bằng cách sản xuất exotoxin hoặc các yếu tố tăng trưởng [53] Tương tác giữa vi tảo và vi khuẩn khác nhau tùy theo loài; và phụ thuộc vào điều kiện môi trường [54] Vi tảo

và vi khuẩn trong hệ thống đồng nuôi cấy có thể hợp tác với nhau hoặc cạnh tranh

để giành dinh dưỡng [55] Ví dụ, trong môi trường hạn chế chất dinh dưỡng (như hạn chế phốt phát), sự cạnh tranh về phốt phát sẽ ngăn chặn sự tương tác giữa vi tảo

và vi khuẩn [56] Tuy nhiên, trong bối cảnh xử lý nước thải, các mối quan hệ tích cực là điều kiện tiên quyết để thực hiện loại bỏ chất dinh dưỡng bền vững Do đó,

một lựa chọn thích hợp của các loài có liên quan là cần thiết trong việc sử dụng hệ thống đồng nuôi cấy để loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước thải

Mối quan hệ cộng sinh (tích cực/tiêu cực) giữa vi tảo và vi khuẩn có thể hữu ích cho các mục đích khác nhau Ví dụ: tác dụng ức chế tăng trưởng của vi khuẩn đối với tảo có thể được sử dụng như một phương pháp sinh học để kiểm soát sự nở

hoa tảo có hại trong các vùng nước [57]

Vi tảo và các vi khuẩn liên quan có thể được sử dụng làm nguồn thực phẩm nhân tạo (hoặc phụ gia thực phẩm) để nuôi cấy các sinh vật thủy sinh [58] Việc gắn

vi khuẩn vào bề mặt tế bào tảo tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và sau đó làm tăng tốc độ lắng [59] Vi khuẩn và các chất đa bào ngoại bào của chúng có vai trò trong việc tăng cường hoạt động keo tụ của tảo

2.3.2.1 Tương tác có hại

Trong môi trường nuôi cấy công sinh, vi tảo có thể ức chế hoạt động của vi khuẩn bằng cách tăng pH, oxy hòa tan và nhiệt độ của môi trường nuôi cấy [60] Hơn nữa, vi tảo cũng có thể làm giảm sự phát triển của vi khuẩn bằng cách giải phóng các chất chuyển hóa kháng khuẩn [61] Trong xử lý nước thải, việc duy trì vi khuẩn cũng rất quan trọng vì trách nhiệm chủ yếu của chúng là loại bỏ BOD Do đó, cần chọn các loài vi sinh vật tương thích, để tránh các tác động có hại của vi tảo Việc kiểm soát một điều kiện nuôi cấy thích hợp cũng rất quan trọng vì cần có điều kiện môi trường thuận lợi cho cả hai vi sinh vật trong hệ thống đồng nuôi cấy

Mặt khác, vi khuẩn cũng có thể ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn bằng cách tiết ra các hóa chất có hại, chẳng hạn như các chất chuyển hóa ngoại bào algicidal Được biết, một số vi khuẩn giải phóng các enzyme có thể làm suy giảm thành tế bào tảo [62] Ngoài ra, vi khuẩn có thể làm giảm sự phát triển của tảo bằng cách thay đổi tính năng cân bằng hóa học của chúng; có một thành phần hóa học khác nhau của vi tảo trong hệ thống đồng nuôi cấy [63] Những tác động có hại của vi khuẩn là đặc trưng cho loài Trong một số trường hợp, các hiệp hội tiêu cực rất quan trọng để đạt

được kết quả mong muốn Tuy nhiên, trong quá trình xử lý nước thải, các tương tác tích cực là quan trọng hơn

Vi khuẩn có thể giúp vi tảo bằng cách giảm căng thẳng oxy từ nuôi cấy Vi khuẩn có thể chuyển đổi các hợp chất bền bỉ thành các chất dinh dưỡng (N và P) và CO2 có thể dễ dàng sử dụng trong quang hợp tảo Vi tảo thu được năng lượng và chất dinh dưỡng khi vi khuẩn giải phóng các enzyme ngoại bào có thể phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn và cũng có thể làm suy giảm các chất hữu cơ thành cacbonat, nitrat, phốt phát và sunfat [67]

2.3.2.3 Tăng cường sự phát triển của vi tảo nhờ vi khuẩn

Sự hợp tác và tương tác giữa vi tảo và vi khuẩn trong môi trường cộng sinh được coi là một chiến lược để tăng cường sản xuất sinh khối tảo Nếu vi khuẩn có thể thúc đẩy sự phát triển của vi tảo, thì sau đó, hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng của vi tảo sẽ được tăng cường Do đó, việc lựa chọn các thành viên phù hợp trong hệ thống đồng nuôi cấy là một bước thiết yếu cho quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng bền vững

Có một số báo cáo về tác dụng kích thích của vi khuẩn đối với sự phát triển của tảo Sự tồn tại của Pseudomonas dẫn đến tế bào cao hơn khoảng 1,4 lần nồng độ

C Vulgaris trong một khoảng thời gian nhất định nuôi cấy tảo (Guo and Tong, 2014) [74] Có sự tăng cường trong sự phát triển của Microcystis aeruginosa do sự

phân hủy vi khuẩn của nitơ hữu cơ hòa tan Gonzalez and Bashan đã báo cáo sự tăng

cường sự phát triển của C Vulgaris do sự tổng hợp phytohormone của Azospirillum

brasilense [68] Hơn nữa, nhiều con đường tế bào, sinh lý và sinh hóa và các chất

chuyển hóa trong các tế bào vi khuẩn, bao gồm các sắc tố quang hợp, hàm lượng lipid và nhiều loại axit béo, đã thay đổi đáng kể trong hệ thống đồng cố định [69] Nhiều nghiên cứu cho thấy tác dụng của việc tăng cường vi khuẩn đối với sự tăng trưởng tảo bằng cách tạo ra điều kiện mong muốn hơn cho vi tảo hoặc bằng cách cung cấp một số chất thúc đẩy tăng trưởng Do đó, mối liên hệ tích cực giữa vi tảo

và vi khuẩn sẽ rất hữu ích trong xử lý nước thải, đặc biệt là để loại bỏ nitơ và phốt

thu ánh sáng của tế bào ở năng lượng điện cực đại do năng lượng cao của

nó [72] Tuy nhiên, do có bước sóng dài hơn, năng lượng ánh sáng thấp hơn của ánh sáng đỏ làm hạn chế khả năng xuyên qua các vùng nuôi cấy có mật độ cao hoặc sâu Bảng 2.1: Ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng đến sự phát triển của các loài vi tảo

khác nhau [73]

Nuôi cấy hỗn hợp Chlorella sp và

Saccharomyces cerevisiae BCRC 21 812 Đỏ> xanh lam> xanh lục

Spirulina platensis Xanh lá cây> trắng> đỏ> xanh lam

S platensis Đỏ> trắng> vàng> xanh lá> xanh lam

Chlorella vulgaris Đỏ> trắng> vàng> xanh lam

C vulgaris và Microcystis aeruginosa Đỏ, xanh lam, trắng> xanh lục, vàng

Chlorella sp Đỏ> trắng> vàng> xanh lam

C vulgaris Đỏ> trắng> vàng> tím> xanh lam>

xanh lục

Nannochloropsis sp Xanh lam> trắng> xanh lục> đỏ

Botryococcus braunii Đỏ> xanh lam> xanh lục

Bước sóng ánh sáng cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất và thành phần sắc tố của tế bào Theo báo cáo của Chen và các cộng sự, mặc dù ánh sáng đỏ

là tối ưu cho sự phát triển của tảo, nhưng ánh sáng vàng dẫn đến tỷ lệ sản xuất chất

diệp lục a cao nhất và ánh sáng xanh lam là tối ưu cho việc sản xuất các sắc tố cụ

thể (diệp lục a và phycocyanin) trong Spirulina platensis [74] Các kết quả tương tự

cũng được báo cáo bởi Mohsenpour và Willoughby, những người đã chứng minh

rằng ánh sáng xanh thúc đẩy sản xuất chất diệp lục ở Chlorella vulgaris , mặc dù nó không có ảnh hưởng rõ ràng đến việc sản xuất chất diệp lục ở cây Hoàng kỳ và ánh

sáng đỏ là tối ưu cho sự phát triển của cả hai loài [75] Ngoài ra, Shu et al phát

hiện ra rằng khi Chlorella sp được nuôi trong môi trường hỗn hợp với Saccharomyces cerevisiae , ánh sáng xanh là tối ưu cho sản xuất dầu trong khi ánh sáng đỏ là tối ưu cho sự phát triển của Chlorella sp Điều này chủ yếu là do hiệu

suất chuyển đổi carbon cao của ánh sáng đỏ, trong khi các enzym quan trọng trong việc tích tụ chất béo trung tính nằm dưới sự kiểm soát của ánh sáng xanh [76] Quá trình xử lý nước thải còn chịu ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng Yan và cộng sự.,

2013 báo cáo rằng thứ tự hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng là đỏ> trắng> vàng>

xanh lam khi C vulgaris được sử dụng để xử lý nước thải [77] Tuy nhiên, Yan và

Zheng, 2013 nhận thấy rằng phương pháp điều trị bước sóng ánh sáng LED hỗn hợp

hiệu quả hơn phương pháp điều trị đơn sắc khi Chlorella sp được sử dụng để loại

bỏ chất dinh dưỡng trong dịch khí sinh học và nâng cấp khí sinh học [78] Điều này

là do bước sóng ánh sáng đỏ giúp tăng cường PS II, trong khi bước sóng ánh sáng xanh giúp tạo ra PSI Do đó, một hỗn hợp thích hợp của bước sóng ánh sáng đỏ và xanh có thể thúc đẩy hiệu quả sự trao đổi chất của vi tảo [79]

2.3.3.2 Cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong quá trình nuôi cấy vi tảo Nó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến động học quang hợp của tế bào tảo và ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào và sản xuất các chất chuyển hóa Cường độ ánh sáng tối ưu khác nhau đáng kể giữa các loài tảo khác nhau Như thể hiện trong Bảng 2.2 , cường độ ánh sáng tối ưu cho sự phát triển của tảo, tích lũy sản phẩm và các ứng dụng khác nằm trong khoảng từ 62,5 đến 2000 μmol

m −2 s −1 Ngoài ra, đối với các mục đích khác nhau, cường độ ánh sáng tối ưu cũng khác nhau do sự khác biệt trong quá trình trao đổi chất ở các cường độ ánh sáng

khác nhau Trong một số tình huống, cường độ ánh sáng tối ưu cho sự phát triển của

tế bào và tích lũy sản phẩm là như nhau Một báo cáo của Khoeyi và cộng sự.,

(2012) chỉ ra rằng thành phần axit béo của C vulgaris thay đổi theo cường độ ánh

sáng; tỷ lệ axit béo không bão hòa đơn và axit béo không bão hòa đa giảm khi cường

độ và thời lượng ánh sáng tăng lên [80] Điều này có thể là do những lipid này là thành phần chính của màng lục lạp và đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành bộ máy quang hợp Những thay đổi phụ thuộc vào ánh sáng trong thành phần axit béo có thể là phản ứng thích nghi của tế bào tảo đối với những thay đổi của môi trường ánh sáng [80] Cường độ ánh sáng cao hơn kích thích quá trình quang hợp và sản xuất sterol, và dẫn đến tăng hàm lượng sterol khi ánh sáng tăng [81] Ngoài ra,

ở Chlorella sp., Cường độ ánh sáng thấp hoặc trung bình là tối ưu cho cả việc nâng

cấp khí sinh học và khí sinh học CO 2 loại bỏ, trong khi cường độ ánh sáng vừa phải

là tốt nhất cho sự phát triển của vi tảo [78] Những kết quả này chỉ ra rằng việc lựa chọn cường độ ánh sáng nên bao gồm phân tích sự tăng trưởng và tích lũy sản phẩm mong muốn hoặc hoạt động trao đổi chất để đạt được năng suất hoặc hiệu quả tối

đa Ngoài ra, việc tiêu thụ năng lượng và chi phí cũng cần được xem xét

Bảng 2.2: Cường độ ánh sáng tối ưu và chu kỳ sáng / tối cho các loài khác nhau

[82]

sáng tối ưu

Chu kỳ sáng / tối

Chlorella vulgaris Sản xuất sinh khối

Loài Mục đích Cường độ ánh

sáng tối ưu

Chu kỳ sáng / tối

C vulgaris Sản xuất sinh khối 62,5 μmol

m −2 s −1

16/8

Spirulina platensis Sản xuất sinh khối 1200 lux -

S platensis Sản xuất sinh khối 166 μmol m −2 s −1 -

Sản xuất dầu 1000 lux -

C vulgaris Sự tích tụ axit béo

không bão hòa đơn

và axit béo không bão hòa

350 μmol m −2 s −1 14/10

Loài Mục đích Cường độ ánh

sáng tối ưu

Chu kỳ sáng / tối

Sản xuất sinh khối 250 μmol m −2 s −1 -

Botryococcus spp Tích tụ lipid 82,5 μmol m −2 s −1 16/8

Chu kỳ sáng / tối là một yếu tố quan trọng khác trong sự phát triển của vi tảo

Ở cường độ ánh sáng vừa phải trong quá trình nuôi cấy C.vulgaris , Chlorella

pyrenoidosa thì tốc độ tăng trưởng tăng khi thời lượng ánh sáng tăng [80] Tuy

nhiên, nghiên cứu đã chỉ ra rằng chu kỳ sáng/tối tối ưu cũng liên quan đến cường độ ánh sáng Ngoài ra, Atta và cộng sự., 2013 nhận thấy rằng loại nguồn sáng cũng có

ý nghĩa đối với chu kỳ sáng/tối Trong điều kiện nuôi cấy hàng loạt trong các bình

500 mL ở cường độ ánh sáng 200 μmol m −2 s −1 , C vulgaris thu được tốc độ phát

triển tối đa ở chu kỳ sáng/tối là 12 giờ/12 giờ dưới ánh sáng LED xanh lam, trong khi ánh sáng/tối chu kỳ 16 giờ/8 giờ tốt hơn dưới ánh sáng đèn huỳnh quang trắng [83] Ngoài những thay đổi về tăng trưởng, sự thay đổi trong chu kỳ sáng / tối cũng có thể dẫn đến những thay đổi trong hàm lượng tế bào của carbohydrate, protein và các chất chuyển hóa khác trong cả quá trình nuôi trồng theo đợt và bán

liên tục C vulgaris [84, 85] Ngoài ra, Atta et al báo cáo rằng hàm lượng lipid của C vulgaris cũng bị ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng tích hợp với chu kỳ sáng /

tối [83] Khoeyi và cộng sự., 2012 nhận thấy rằng thành phần axit béo củabị ảnh