Giới thiệu

Các nguồn phát thải CO2 từ tự nhiên và nhân tạo đến từ việc do đốt nhiên liệu hóa thạch do (Rinanti, 2016). Việc đốt nhiên liệu hóa thạch là nguồn phát sinh khí thải CO2 lớn nhất (68%) vào môi trường không khí gây ra hiện tượng BĐKH (Bhola et al., 2014). Ước tính, con người đóng góp CO2 vào khí quyển khoảng 9 Gigatons (Gt) mỗi năm do giao thông (Arnup, 1992) và có tới 4 Gt được tích tụ trong khí quyển mỗi năm (Lal, 2008) đóng góp to lớn làm trái đất nóng lên và BĐKH, ảnh hưởng nặng nề lên môi trường và tài nguyên. Theo báo cáo năm 2019 của Ủy ban Liên chính phủ về BĐKH (IPCC), trong khoảng thời gian từ năm 2030 đến 2052 toàn cầu có khả năng nóng lên tới 1,5oC (IPCC, 2019) nếu như các hoạt động phát thải của con người vẫn tăng với tốc độ bình thường, điều này đòi hỏi một nỗ lực nghiêm túc để phát triển các công nghệ mới nhằm giảm thiểu khí thải nói chung và CO2 nói riêng. Nhiều hướng tiếp cận để quản lý mức CO2 thải vào khí quyển như công nghệ thu giữ và lưu trữ cacbon (CCS) đạt tỷ lệ loại bỏ CO2 lên đến 90% (Herzog, 2009) nhưng không khả quan về mặt kinh tế trong tương lai khi công nghệ phát triển hiện đại. Mặt khác, công nghệ vi tảo có tốc độ tăng trưởng và năng suất cao hơn nhiều so với thực vật rừng thông và thực vật thủy sinh khác (Lage et al., 2018). Là các sinh vật quang hợp, chúng có thể biến đổi CO2 từ khí thải để phát triển thành sinh khối (Wang et al., 2008), do đó gián tiếp làm giảm lượng khí thải CO2. Có thể nói, hấp thụ sinh học CO2 nhờ vi tảo được coi là một chiến lược tiềm năng để không chỉ giảm thiểu phát thải CO2 mà còn tạo ra sinh khối vi tảo giàu lipid ví như một nguồn năng lượng tái tạo (Ho et al., 2011). Không giới hạn chỉ CO2 mà nhiều loại khí thải khác như hydrocacbon, VOCs, SOx, NOx cũng đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trên thế giới. Do vậy, nghiên cứu này sẽ giúp cho các nhà khoa học cũng như quản lý có thể có cái nhìn toàn diện hơn, đưa ra được những quyết định chiến lược phát triển KT-XH và đặc biệt là môi trường có hiệu quả hơn trong tương lai.

Hình 1. Mô hình tảo và lượng sinh khối tảo theo thời gian

Phương pháp nghiên cứu

Đối tượng và vật liệu nghiên cứu

Mô hình được thiết kế theo dạng ống trụ theo dạng tubular photobioreactor. Nguồn tảo được sử dụng là tảo Chlorella Vugaris được nuôi cấy giống và phát triển tại phòng thí nghiệm công nghệ môi trường - Viện Khoa học môi trường - trường Đại học Nguyễn Tất Thành.

Phương pháp nuôi trồng nhân giống và đánh giá hiệu quả xử lý

Cho 23 lít nước thông thường cùng 0,8 lít tảo giống có nồng độ 106/ml cho vào mô hình qua cửa nhập liệu (4), để nuôi trồng nhân giống. Dùng cảm biến đo nồng độ khí thải đầu ra (CO2, TVOCs, HCHO) sau mỗi giờ, đồng thời lấy mẫu tảo tại cửa (9) để tính toàn nồng độ sinh khối khi có khí thải.

Kết quả và bàn luận

Đánh giá mức độ phát triển sinh khối trong mô hình

Mô hình được thiết kế với thể tích 25 lít (xem hình có cấu tạo gồm: 10 ống nhựa mica trong suốt (1) với kích thước 60x2x500 mm chia làm 5 tầng, mỗi tầng 2 ống song song. Ngoài ra còn có 2 ống mica dẫn khí 60x2x1000 mm (2), 1 ống mica tuần hoàn 60x2x1000 mm (3), cửa nhập liệu đồng thời là ống thoát khí (4), van tuần hoàn (5), lưu lượng kế khí (6), máy sục khí (7), các co nối ống, khung sắt hình hộp 700x1000 mm để chứa mô hình dễ dàng vận chuyển. Khí thải được cung cấp hộp nguồn (8) qua máy sục khí (7) và được điều chỉnh lưu lượng khí bằng lưu lượng khí kế (6), tảo được thu hoạch và thí nghiệm tại cửa lấy mẫu và thu hoạch tảo (9). Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật được nghiên cứu bằng cách phân tích đường cong sinh trưởng trong một môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phương pháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hoặc trong hệ thống kín. Bắt đầu từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 4 cho thấy, khối lượng và thể tích tảo tăng dần từ 0.197 - 0.3242 g/L. Từ ngày thứ 5 - 10, bước vào giai đoạn logarit (log phase) hay Pha chỉ số (Exponential phase). Trong giai đoạn này tảo sinh trưởng và phân cắt với nhịp độ tối đa từ 0.3242 - 0.7795g tăng 0.4553g trong 5 ngày. Nhịp độ sinh trưởng trung bình 0.1g day-1 không có thay đổi nhiều trong suốt giai đoạn này, các tế bào phân chia đều đặn. Từ ngày 11 - 15, trong giai đoạn này khối lượng tảo có tăng nhưng không đáng kể, có thể do số lượng tế bào mới sinh ra tương đối cân bằng với số lượng tế bào chết đi, hoặc tế bào ngưng phân cắt mà vẫn giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất.

Đánh giá hiệu quả xử lý khí thải

Trong khí đưa vào đồng nghĩa với việc cấp CO2 cho tảo với tốc độ sục khí 5 L/phút với nồng độ CO2 từ khí thải động cơ mini dao động khoảng 1900 - 2300 ppm. Hiệu quả hấp thụ CO2 của vi tảo được tính toán trên cơ sở đo nồng độ CO2 đầu ra của hệ thống bằng cảm biến. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả năng hấp thụ khí CO2 của vi tảo Chlorella vulgaris sau thời gian 15 ngày là khá tốt. Nồng độ CO2 đầu vào đã giảm ngay trong ngày thử đầu tiên (1720 ppm), điều này có thể là do CO2 được hấp thụ vào trong nước nhưng từ ngày thứ 2 đến ngày 10 thì nồng độ CO2 đã giảm mạnh. Nguyên nhân là do tảo dùng nguồn cacbon để tổng hợp tế bào và nồng độ sinh khối lúc này cũng gia tăng đáng kể. Từ ngày 11 - 15, trong giai đoạn này nồng độ CO2 giảm ít và ổn định ở mức trung bình 384 ppm sau 15 ngày thử nghiệm với khí thải, nồng độ sinh khối tảo cũng bắt đầu ổn định theo.

Kết luận

Qua thời gian nghiên cứu và thiết lập mô hình cho thấy, với thiết kế tubular photobioreactor đã giúp cho khí thải được lưu thông và tiếp xúc tốt với toàn hệ thống. Qua đó, làm giảm ô nhiễm đáng kể khí thải đầu vào và tảo cũng đã tận dụng được lượng CO2 để phát triển sinh khối tốt. Mặc dù, nghiên cứu cần trải qua thêm nhiều giai đoạn, nhưng lợi ích cho môi trường và con người là rất hứa hẹn.

Lời cảm ơn

Chúng tôi xin cảm ơn trường Đại học Nguyễn Tất Thành đã hỗ trợ thời gian, phương tiện vật chất và phòng thí nghiệm thử nghiệm cho nghiên cứu này. Ban chủ nhiệm đề tài cám ơn sự tham gia nghiên cứu của học viên Trần Thành Minh, Nguyễn Quỳnh Anh, Nguyễn Điền Anh Khôi, ngành Quản lý và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và Nguyễn Hữu Tiến, ngành Quản lý TN&MT, trường Đại học Nguyễn Tất Thành.

Tài liệu tham khảo

Arnup, K. (1992) ‘“Victims of vaccination?”: opposition to compulsory immunization in Ontario, 1900-90.’, Canadian bulletin of medical history = Bulletin canadien d’histoire de la médecine, 9(2), pp. 159-176. doi: 10.3138/cbmh.9.2.159;

Bhola, V. et al. (2014) ‘Overview of the potential of microalgae for CO2 sequestration’, International Journal of Environmental Science and Technology, 11(7), pp. 2103–2118. doi: 10.1007/s13762-013-0487-6;

Delucchi and Emissions, A. L. (2003) Lifecycle Emissions from Transportation Fuels, Motor Vehicles, Transportation Modes, Electricity Use, Heating and Cooking Fuels and Materials, University of California at Davis. Davis;

Ho, S. H. et al. (2011) ‘Perspectives on microalgal CO2-emission mitigation systems - A review’, Biotechnology Advances, 29(2), pp. 189–198. doi: 10.1016/j. biotechadv.2010.11.001;

IPCC (2019) ‘Adaptive Responses of Marine Gastropods to Heatwaves’, One Earth, 1(3), pp. 374–381. doi: 10.1016/ j.oneear.2019.10.025;

Lage, S. et al. (2018) ‘Algal biomass from wastewater and flue gases as a source of bioenergy’, Energies, 11(3), pp. 1–30. doi: 10.3390/en11030664;

Lal, R. (2008) ‘Sequestration of atmospheric CO2 in global carbon pools’, Energy and Environmental Science, 1(1), pp. 86–100. doi: 10.1039/b809492f;

Rinanti, A. (2016) ‘Biotechnology Carbon Capture and Storage by Microalgae to Enhance CO2 Removal Efficiency in Closed-System Photobioreactor’, Algae - Organisms for Imminent Biotechnology. doi: 10.5772/62915;

Schenk, P. M. et al. (2008) ‘Second Generation Biofuels: High-Efficiency Microalgae for Biodiesel Production’, BioEnergy Research, 1(1), pp. 20–43. doi: 10.1007/s12155-008-9008-8.

TRẦN THÀNH, NGUYỄN HỮU TIẾN

Trường Đại học Nguyễn Tất Thành - TP. Hồ Chí Minh

TRẦN THÀNH MINH, NGUYỄN QUỲNH ANH,

NGUYỄN ĐIỀN ANH KHÔI, LÂM VĂN GIANG

 Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh