Nghiên cứu dùng tảo hạt hoạt tính xử lý nước thải hiệu quả

Công nghệ này liên quan đến việc cấy vi tảo và vi khuẩn từ bùn hoạt tính giúp thu hồi chất dinh dưỡng natri (N) và phốt pho (P), và biến loại vi sinh này từ mối đe dọa thành một nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.

Hiện nay, khoảng 90% nước thải đô thị ở Việt Nam chưa xử lý triệt để được xả thẳng ra môi trường. Nếu tình trạng này tiếp diễn, chỉ 20 đến 30 năm nữa, nguồn nước mặt sẽ bị ô nhiễm nghiêm trọng và thế hệ tương lai sẽ không đủ nguồn nước sạch để dùng, theo ông Nguyễn Quang Huân, Phó Chủ tịch Hội Nước sạch và Môi trường Việt Nam.

Tuy nhiên, một trong những bất cập lớn nhất là thiếu nguồn vốn do chưa thu hút được đầu tư tư nhân, đầu tư nước ngoài vào lĩnh vực này, theo ông Nguyễn Thành Lam - chuyên viên chính Vụ Quản lý Chất thải, Tổng Cục Môi trường, báo điện tử Đảng Cộng sản Việt Nam đưa tin hồi tháng 4/2022.

Mới đây, nhóm nghiên cứu Bird fighter, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Bùi Xuân Thành, Trưởng phòng Thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc gia Công nghệ Xử lý Chất thải Bậc cao – Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TPHCM, đã và đang phát triển một loại công nghệ từ tảo hạt hoạt tính để xử lý nước thải, thay thế những công nghệ xử lý sinh học tốn kém hiện nay.

Nước thải sẽ được xử lý hiệu quả với chi phí thấp, đồng thời công nghệ này tạo ra sinh khối có thể sử dụng để sản xuất các sản phẩm sinh học hữu ích.

Hướng đi mới từ ý tưởng cũ

Chia sẻ với Tạp chí Cấp Thoát nước Việt Nam, chị Nguyễn Ngọc Kim Qui, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết ý tưởng để phát triển loại vi tảo hoạt tính này được kế thừa và phát triển từ những nghiên cứu về tảo và bùn hoạt tính trong xử lý nước thải trước đây của nhóm và của các nhà khoa học trên thế giới.

Chị Qui nói sinh khối tảo có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng xanh của tương lai, tuy nhiên do tảo có khối lượng riêng nhẹ hơn nước, không lắng được trong nước nên tảo rất khó thu hoạch. 

Vì vậy, Bird fighter đã đồng nuôi cấy vi tảo chủng Chlorella và vi khuẩn từ bùn hoạt tính dùng trong xử lý nuớc thải. 

Hai loại vi sinh vật này, tuy có các đặc tính trái ngược nhau nhưng hoàn toàn có thể bổ trợ và cộng sinh trong môi trường nước thải, hỗ trợ cho việc thu hoạch sinh khối tảo thuận lợi. Ngoài ra, khi ở dạng hạt, sinh khối tảo sẽ càng dễ thu hoạch hơn do hạt có kết cấu đặc, nặng, và chứa nhiều sinh khối tảo có giá trị.

Như vậy, nuôi cấy tảo hoạt tính từ nước thải có thể giảm thiểu tất cả các chi phí hóa chất bổ sung N và P, các chất dinh dưỡng đắt tiền khác cũng như nguồn cung nước sạch cần thiết để nuôi cấy quy mô lớn như phương pháp nuôi cấy vi tảo truyền thống. Cụ thể, tảo hạt sẽ dùng dinh dưỡng N, P và các chất vi lượng có sẵn trong nước thải mỗi ngày.

Sử dụng vi tảo trong xử lý nước thải là một phương pháp giúp thu hồi chất dinh dưỡng N, P, và biến loại vi sinh này từ một mối đe dọa thành một nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường. 

Dù vậy, vi tảo có kích thước và khối lượng riêng rất nhỏ so với nước nên tốc độ lắng sẽ rất chậm, ảnh hưởng đến việc thu hoạch sinh khối. Ngược lại, do được kết hợp giữa tảo và vi khuẩn, tảo hạt có kích thước phân bố từ 100 – 1.000 μm, có thể lắng > 90% sinh khối sau 3 phút, do đó không cần tốn kém chi phí cho hóa chất keo tụ để thu hồi sinh khối, nhóm nghiên cứu chia sẻ với Tạp chí Cấp Thoát nước Việt Nam.

Được biết, để đến được thành quả này, nhóm nghiên cứu đã trải qua không ít khó khăn.

Theo chị Qui, đây là hệ thống sử dụng vi sinh vật nên rất nhạy cảm với các thay đổi của môi trường, cần được kiểm soát hàng ngày và để đạt được kết quả thì cần phải trải qua một thời gian nghiên cứu khá dài. 

Đặc biệt, khó khăn nhất phải kể đến giai đoạn dịch COVID-19 và những ngày lễ tết, cả nhóm phải thay phiên nhau lên phòng thí nghiệm hoặc đem cả hệ thống về nhà để vận hành, mất rất nhiều thời gian và công sức. 

Ngoài ra, đây cũng là một hướng nghiên cứu rất mới nên còn ít tài liệu tham khảo liên quan. Tuy nhiên, khi thành phẩm là hạt vi tảo được tạo ra thành công, cả nhóm cảm thấy công sức bỏ ra được đền đáp xứng đáng.

Triển vọng ứng dụng

Chị Qui cho biết, để triển khai nuôi cấy tảo hạt hoạt tính, cần sử dụng các bể quang sinh học kín tạo bằng vật liệu trong suốt để tăng cường khả năng tiếp xúc ánh sáng của vi tảo. Ngoài ra, cần dùng hệ thống đảo trộn có tốc độ phù hợp để khuấy trộn và tạo lực cắt trong hệ thống.

Nhằm giảm lượng nhiệt phát sinh trong hệ thống, các nhà khoa học sử dụng đèn led ánh sáng trắng. Mô hình nuôi cấy tảo hạt hoạt tính cũng bao gồm hệ thống thiết bị tự động để kiểm soát quá trình vận hành, nạp và xả nước thải, cũng như thu hồi sinh khối tảo hạt.

Đặc biệt, nếu các hệ thống đang nuôi tảo thông thường muốn chuyển sang nuôi tảo hạt, chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ “tảo hạt” giống để nuôi cây trong một thời gian ngắn.

Hiện, nghiên cứu mới chỉ dừng ở phòng thí nghiệm, chưa triển khai rộng rãi ngoài thực tế. Tuy nhiên, tiềm năng của phương pháp mới này là rất lớn: Hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ trung bình của tảo hạt luôn trên 90%, trong khi đó hiệu quả loại bỏ Nitơ lên đến 94%.

Hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học thông thường cần sử dụng nhiều hệ thống với các chế độ vận hành khác nhau nhằm nuôi cấy nhiều giống vi sinh khác nhau để có thể xử lý toàn bộ các chất ô nhiễm.

Trong khi đó, sử dụng tảo hạt hoạt tính sẽ chỉ cần đến một hệ thống bể quang sinh học duy nhất với ưu điểm nhỏ gọn, tiện lợi, giảm thiểu chi phí xây dựng.

Tảo hạt có hàm lượng vi tảo cao, chứa nhiều hợp chất có tính năng thương mại hóa đặc trưng như lipid, tinh bột, N, P.

Vì vậy, sinh khối tảo hoạt tính thu hồi được có thể ứng dụng làm nhiên liệu sinh học, cụ thể là sản xuất dầu diesel sinh học, nhựa sinh học hoặc làm phân bón sinh học - một giải pháp đơn giản và không tốn kém, giúp giảm thiểu các vấn nạn ô nhiễm môi trường do hóa chất trong canh tác nông nghiệp.

Đặc biệt, Chlorella (giống tảo chính trong sản phẩm tảo hạt hoạt tính) là một trong những chủng vi tảo có chứa hàm lượng polymer cao nhất tính đến hiện tại, có nhiều tiềm năng trong việc sản xuất nhựa sinh học.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ nghiên cứu chuyên sâu hơn, thử nghiệm các điều kiện vận hành khác nhau nhằm tăng cường các đặc tính hữu ích và tiềm năng ứng dụng tảo hạt trong thực tế. 

Cụ thể, nhóm sẽ thay đổi các thông số nghiên cứu để tăng khả năng xử lý nước thải của tảo hạt. Ngoài ra, tăng hàm lượng các hợp chất quý của tảo để áp dụng nguồn sinh khối này vào các ngành công nghiệp xanh.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sản phẩm tảo hạt sẽ thu hút được sự quan tâm của các doanh nghiệp trong các lĩnh vực liên quan như nhựa, xăng và phân bón sinh học, đáp ứng sự thay đổi về xu hướng của người tiêu dùng ngày càng chuộng các sản phẩm sinh học thân thiện với môi trường.