NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG VI TẢO CHLORELLA

Khóa luận “Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ và phospho trong nước thải sinh hoạt bằng vi tảo Chlorella sp.”, do sinh viên Nguyễn Thị Phương Dung thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trần Thiện Khánh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ – MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG VI TẢO

CHLORELLA SP.

AN GIANG, 05/2016 SVTH: NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG

KHÓA HỌC: 2012 - 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ – MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ

NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Thư ký

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt khoảng thời gian bốn năm, từ khi bắt đầu học tập tại trườngcũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình, em rấtvui và rất biết ơn vì đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quýThầy Cô, gia đình và bạn bè Em xin chân thành cảm ơn:

− Ban Giám Hiệu trường Đại học An Giang, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹthuật – Công nghệ − Môi trường đã tạo những điều kiện tốt nhất để em có thểhoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

− Quý thầy cô trong Bộ môn Môi trường và Phát triển Bền vững, Khoa

Kỹ thuật – Công nghệ − Môi trường, Trường Đại học An Giang đã tận tìnhgiúp đỡ, giảng dạy, giải đáp những thắc mắc, giúp em củng cố, bổ sung, tổnghợp kiến thức trong quá trình thực hiện luận văn

− Quý thầy cô đang công tác, làm việc tại phòng thí nghiệm trường Đại học An Giang đã giúp đỡ, hướng dẫn em trong thời gian triển khai thínghiệm Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Trí Thích và thầy TrầnNgọc Hăng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong thời gian em làm việc tạiphòng thí nghiệm

− Cô Võ Thị Dao Chi và cô Ngô Thúy An đã tận tình góp ý để em có thểnhận ra những khuyết điểm, sửa chữa và hoàn thành bài Luận văn tốt hơn

− Tập thể các bạn lớp DH13MT đã giúp đỡ, chia sẽ kiến thức trong suốtquá trình thực hiện luận văn

− Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầyNguyễn Trần Thiện Khánh Thầy đã đồng hành cùng em, truyền đạt kiến thức,góp ý và tận tình giúp đỡ, động viên em trong suốt thời gian thực hiện luậnvăn tốt nghiệp

Trong quá trình hoàn thành bài luận văn không tránh khỏi những thiếusót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dạy của quý thầy cô để luận văn cóthể hoàn thiện và thiết thực hơn Cuối cùng chúng em xin chúc quý thầy cô vàcác bạn thật nhiều sức khỏe và thành công trong công việc

Xin chân thành cám ơn!

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trongcông trình nghiên cứu này có xuất xứ rõ ràng Những kết luận mới về khoahọc của công trình này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Long Xuyên, ngày 10 tháng 05 năm 2016

Người thực hiện

MỤC LỤC

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 2

2.1.1 Khái niệm 2

2.1.2 Thành phần 2

2.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đến môi trường và con người 6

2.2 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO 7

2.2.1 Đặc điểm sinh học của vi tảo 7

2.2.2 Phân loại 8

2.2.3 Giá trị dinh dưỡng của vi tảo 8

2.2.4 Giai đoạn phát triển của quần thể 8

2.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo 9

a Ánh sáng 9

b pH 9

c Nhiệt độ 10

d Sục khí 10

e Dinh dưỡng 10

2.3 TỔNG QUAN VỀ TẢO CHLORELLA SP 11

2.3.1 Đặc điểm phân loại 11

2.3.2 Hình thái, cấu tạo 12

2.3.3 Sinh sản 12

2.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển 12

2.3.5 Thành phần dinh dưỡng 13

2.3.6 Các nghiên cứu khả năng xử lý nước thải của vi tảo 14

2.4 ỨNG DỤNG CỦA SINH KHỐI TẢO 16

2.4.1 Sản xuất nhiên liệu sinh học 16

2.4.2 Xử lý nước thải 17

2.4.3 Các ứng dụng thân thiện với môi trường 17

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 19

3.2 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU 19

3.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 19

3.4 MẪU NGHIÊN CỨU 19

3.5 THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU 20

3.5.1 Mô hình thí nghiệm 20

3.5.2 Bố trí thí nghiệm 20

3.6 CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU 21

3.6.1 Thiết bị nghiên cứu 21

3.6.2 Thiết bị và hóa chất phân tích mẫu 21

3.7 QUI TRÌNH NGHIÊN CỨU 21

3.7.1 Qui trình nghiên cứu nghiệm thức 1 22

3.7.2 Qui trình nghiên cứu nghiệm thức 2 23

3.8 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 23

3.8.1 Phân tích mẫu 23

a Phân tích tổng Nitơ (TN) 24

b Phân tích chỉ tiêu Amoni 25

c Phân tích phospho tổng 26

d Phân tích chỉ tiêu phosphate 27

3.8.2 Theo dõi mật độ tảo 28

3.8.3 Phương pháp đánh giá tốc độ tăng trưởng của tế bào 29

3.9 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU 29

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30

4.1 ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI SINH HOẠT 30

4.2 CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM NƯỚC THẢI SINH HOẠT QUA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BẰNG VI TẢO 30

4.2.1 Chỉ tiêu pH 30

4.2.2 Chỉ tiêu nitơ 32

4.2.3 Chỉ tiêu phospho 36

4.2.4 Sự biến động chỉ tiêu COD và BOD 39

4.2.5 Mật độ phát triển của vi tảo 41

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 43

5.1 KẾT LUÂN 43

5.2 KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 1: BẢNG SỐ LIỆU THÔ 47

PHỤ LỤC 2: BẢNG ANOVA 50

DANH SÁCH BẢN

Bảng 2.1: Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt 4

Bảng 2.2: Tải trọng chất bẩn tính cho một người trong ngày đêm 3

Bảng 2.3: Đặc tính của bùn tự hoại trong nước thải sinh hoạt 3

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn thải đối với chất dinh dưỡng của EU theo mức độ giảm thiểu (% ) hay nồng độ chất thải 6

Bảng 2.5: Thành phần dinh dưỡng của Chlorella 13Y Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm 21

Bảng 3.2: Phương pháp phân tích chỉ tiêu ô nhiễm 24

Bảng 3.3: Hệ số nồng độ chuyển đổi giữa các nồng độ này được trình bày ở bảng sau: 26

Bảng 3.4: Đường chuẩn phân tích chỉ tiêu phosphate 2 Bảng 4.1: Thành phần nước thải sinh hoạt đầu vào 30

Bảng 4.2: Sự biến động pH theo thời gian 31

Bảng 4.3: Sự biến động chỉ tiêu amonia 33

Bảng 4.4: Sự biến động chỉ tiêu tổng nitơ 34

Bảng 4.5: Phương trình đường chuẩn tính nồng độ phosphate và phospho 36

Bảng 4.6: Sự biến động chỉ tiêu phosphate 36

Bảng 4.7: Sự biến động chỉ tiêu tổng phospho 37

Bảng 4.8: Sự biến động chỉ tiêu COD 39

Bảng4.9: Sự biến động chỉ tiêu BOD 40

Bảng 4.10: Sự biến động mật độ tảo 41

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.3: Một số nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt 2

Hình 2.4: Thành phần mô tả chất thải rắn trong nước thải sinh hoạt 5

Hình 2.1: Các pha sinh trưởng của tảo 9

Hình 2.2: Tảo chlorella sp

Hình 3.1: Vị trí lấy mẫu tai nguồn tiếp nhận 19

Hình 3.2: Mô hình thí nghiệm 20

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 20

Hình 3.4: Qui trình nghiên cứu NT1 22

Hình 3.5: Qui trình nghiên cứu NT2 23

Hình 3.6: Phương pháp đếm tảo bằng buồng đếm Sedgewick−Rafter 28Y Hình 4.1: Sơ đồ thể hiện sự biến động giá trị pH 31

Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện sự biến động chỉ tiêu amonia của hai nghiệm thức .33

Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện sự biến động chỉ tiêu tổng nitơ của hai nghiệm thức .35

Hình 4.4: Phương trình đường chuẩn 36

Hình 4.5: Biểu đồ thể hiện sự biến động chỉ tiêu tổng phosphate của hai nghiệm thức 37

Hình 4.6: Biểu đồ thể hiện sự biến động chỉ tiêu tổng phospho của hai nghiệm thức 38

Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện sự biến động chỉ tiêu COD của hai nghiệm thức .40 Hình 4.8: Biểu đồ thể hiện sự biến động chỉ tiêu BOD 41

Hình 4.9: Biểu đồ thể hiện sự biến đổi mật độ tảo của hai nghiệm thức 42

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HUFA (Highly Unsaturated Fatty Acids) Axit béo cao phân tử không no

BOD (Bio Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh học

COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa học

SS (Suspended Solids) Chất rắn lơ lững

VACNE (Vietnam Association for

Conservation of Nature and

triển Bền vững

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Nước là nguồn tài nguyên vô giá luôn gắn liền với hoạt động sống củacon người Tuy nhiên, nước thải từ các hoạt động sản suất và sinh hoạt của conngười đang ngày càng hủy hoại nguồn tài nguyên vô giá đó

Do vấn đề chi phí xây dựng và vận hành hệ thống nên hầu hết các nhàmáy xử lý nước thải chỉ đáp ứng chất lượng nước sau xử lý vừa đủ đạt so vớicác quy chuẩn Việt Nam hiện hành Tuy nhiên, việc xả vào nguồn tiếp nhậnlượng nước còn chứa hàm lượng nitơ và phospho sẽ gây ra hiện tượng phúdưỡng làm suy giảm chất lượng nước tại nguồn tiếp nhận Gây ảnh hưởng đếnmôi trường và sức khỏe của con người Để giải quyết hiện tượng này, có nhiềuphương pháp, nhưng tìm ra phương pháp vừa xử được nguồn nước vừa khôngtốn nhiều chi phí là một vấn đề cần phải nghiên cứu

Việc áp dụng các biện pháp hóa học để giải quyết hàm lượng nitơ vàphospho còn lại trong nguồn nước xả thải không những gây tốn kém rất nhiều

mà các sản phẩm sau phản ứng và dư lượng hóa chất sau xử lý có thể ảnhhưởng xấu đến môi trường Biện pháp xử lý bằng vi sinh vật có thể được ápdụng Tuy nhiên, lượng nước sau hệ thống xử lý đã đạt so với quy chuẩn nênviệc xây dựng thêm công trình đơn vị để xử lý sẽ rất tốn kém chi phí và diệntích đất Để giải quyết đồng thời hai vấn đề môi trường và kinh tế, cần nghiêncứu phương pháp mới Dựa trên đặc điểm hấp thu nguồn dinh dưỡng chủ yếu

là nitơ và phospho của vi tảo, ta có thể tận dụng chúng để giải quyết lượngnitơ và phospho còn lại trong nước thải vừa góp phần làm giảm hiệu ứng nhàkính do quá trình quang hợp của tảo góp phần hấp thu khí CO2 Bên cạnh đó,sinh khối tảo còn có khả năng thu hồi cung cấp cho ngành thủy sản, hóa dược,

mỹ phẩm, chiết suất dầu sinh học…

Trong bối cảnh hiện nay, phần lớn hoạt động sản xuất đều cần đến nhiênliệu (ở đây là nhiên liệu hóa thạch) Tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạchđang dần cạn kiệt Không những thế, hậu quả từ việc khai thác và sử dụngnguồn năng lượng này đang ngày một rõ rệt hơn Một giải pháp cho vấn đềnày là thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng nhiên liệu tái tạo, mặc dù khônghoàn toàn, nhưng cũng sẽ góp phần giảm ảnh hưởng từ việc sử dụng nhiên liệuhóa thạch Có nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu tái tạo, tuynhiên vi tảo là một nguồn nguyên liệu có tính cạnh tranh hơn các nguồnnguyên liệu khác vì nó không can thiệp tới nguồn cung cấp thực phẩm Vi tảo

có thể phát triển trong nước và hấp thu ánh sáng mặt trời thông qua quang hợphiệu quả hơn so với thực vật trên cạn do cấu trúc tế bào đơn giản của chúng.Tuy nhiên, sinh khối tảo cho sản xuất nhiên liệu tái tạo được coi là không kinh

tế nếu nuôi tảo trong nguồn nước đang được sử dụng cho các mục đích khác

Trong số các loài vi tảo, Chlorella sp được biết đến rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực đặc biệt là xử lý nước thải Năm 2010, các nhà nghiên cứu ở Thụy Điểncũng chỉ ra các loài vi tảo có khả năng xử lý nitơ và phospho có trong nước

thải rất tốt, hiệu quả xử lý nitơ đạt 60% − 80% và phospho đạt 60% − 100%

trong các tháng của mùa hè (Nguyễn Minh Phương, 2011).

Từ những vấn đê trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý

Nitơ và Phospho trong nước thải sinh hoạt bằng vi tảo Chlorella sp.” là

thật sự cần thiết

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

2.1.1 Khái niệm

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mụcđích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân, Chúngthường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và cáccông trình công cộng khác Lượng nước thải của một khu dân cư phụ thuộcvào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước.Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năngcung cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có Cáctrung tâm đô thị có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành

và nông thôn

Do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khácbiệt giữa thành thị và nông thôn Nước thải sinh hoạt ở trung tâm đô thịthường được thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra sông rạch, còn ở các vùngngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thảithường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự

thấm (Lâm Minh Triết, 2008).

2.1.2 Thành phần

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại (hình 2.1):

− Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệsinh

− Nước thải nhiễm bẩn do nước thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, cácchất rửa trôi kể cả làm vệ sinh sàn nhà

Nguồn: Steve Hall, 2004

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học,ngoài ra còn có các thành phần chất vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rấtnguy hiểm Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chấtnhư protein 40% − 50% ; hydratcarbon 40% − 50%; gồm tinh bột, đường,cenlulose và các chất béo 5% − 100% Nồng độ chất hữu cơ trong nước thảisinh hoạt dao động khoảng (150 – 450) mg/l theo trọng lượng khô Có khoảng

20% − 40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học (Lâm Minh Triết, 2008).

Một số thành phần, tính chất và đặc trưng của nước thải sinh hoạt đượcthể hiện trong bảng 2.1, bảng 2.2 và bảng 2.3

Bảng 2.1: Tải trọng chất bẩn tính cho một người trong ngày đêm

6 − 120,8 − 4,0

−1,72,0 − 2,5_

Nguồn: Lâm Minh Triết, 2008

Bảng 2.3: Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt

Chất hữu cơ bay hơi, μg/lg/l <100 100 ÷ 400 > 400

Nguồn: Lâm Minh Triết, 2008

Độ pH trong nước thải sinh hoạt thường dao động trong khoảng từ

6,9 − 7,8 (Lâm Minh Triết, 2008) nằm trong khoảng pH thuận lợi phát triển của tảo Chlorella sp.

Theo Metcals, thành phần của chất rắn trong nước thải sinh hoạt được

mô tả một cách tương đối như ở hình 2.2

Hình 2.2: Thành phần mô tả chất thải rắn trong nước thải sinh hoạt

Hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt là các hợp chất amoniac,protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thảirắn và lỏng Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 g − 16 g nitơ dưới dạng protein

và thải ra khoảng 30% trong số đó Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu nhiềuhơn trong phân khoảng 8 lần Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàmlượng rất thấp do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn visinh có khả năng oxy hoá amoni) thấp Thành phần amoni chiếm 60% − 80%

hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt (Lê Văn Cát, 2007).

Nguồn phát thải phospho quan trọng nhất trong nước thải sinh hoạt làphân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp Lượng phospho có nguồn gốc từphân được ước tính là (0,2 − 1,0) kg P/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg.Lượng phospho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp được ước tính là 0,3 kg/người/năm Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụng phospho trong thành phần chất tẩyrửa, lượng phospho trên giảm xuống, còn khoảng 0,1 kg/người/năm

Tiêu chuẩn thải đối với chất dinh dưỡng của EU được thể hiện trongbảng 2.4:

Tổng cộng (720 mg/l)

Vô cơ

15 mg/l

Hữu

cơ 40 mg/l

Vô cơ

10 mg/l

Hữu

cơ

160 mg/l

Vô

cơ

290 mg/l

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn thải đối với chất dinh dưỡng của EU theo mức độ giảm thiểu

(% ) hay nồng độ chất thải.

P – tổng 2 mg/l cho hệ < 10.000 người 1 mg/lcho hệ > 10.000 người 80%

N – tổng 15 mg/l cho hệ < 10.000 người 10mg/l cho hệ > 10.000 người 70 – 80%

Nguồn: Lê Văn Cát, 2007

2.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đến môi trường và con người

Ông Yutaka Matsuzawa − Chuyên gia môi trường của Tổ chức Hợp tácQuốc tế Nhật Bản (JICA) tại VN − khuyến cáo nước thải sinh hoạt (domesitcwaste water) chính là tác nhân đáng sợ nhất gây ô nhiễm nguồn nước Khôngnhững thế, ông Matsuzawa cho rằng nước thải sinh hoạt là hiểm hoạ môitrường hàng đầu tại VN hiện nay “Quá trình đô thị hoá tại VN diễn ra rấtnhanh Những đô thị lớn tại VN như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, ĐàNẵng bị ô nhiễm nước rất nặng nề Đô thị ngày càng phình ra tại VN, nhưng

cơ sở hạ tầng lại phát triển không cân xứng, đặc biệt là hệ thống xử lý nướcthải sinh hoạt tại VN vô cùng thô sơ Có thể nói rằng, người Việt Nam đanglàm ô nhiễm nguồn nước uống chính bằng nước sinh hoạt thải ra hàng ngày”,

ông Matsuzawa nhận định (Thúy Hồng, 2010)

Theo Hội Bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam (VACNE), nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng số nước thải ở các thành phố, làmột nguyên nhân chính gây nên tình trạng ô nhiễm nước và vấn đề này có xuhướng càng ngày càng xấu đi Ước tính, hiện chỉ có khoảng 6% lượng nước

thải đô thị được xử lý (Thúy Hồng, 2010) Theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO)

công bố hồi đầu năm 2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người

tử vong do điều kiện nước sạch, vệ sinh nghèo nàn và thấp kém Còn theothống kê của Bộ Y tế, hơn 80% các bệnh truyền nhiễm ở nước ta liên quanđến nguồn nước Người dân ở cả nông thôn và thành thị đang phải đối mặt vớinguy cơ mắc bệnh do môi trường nước đang ngày một ô nhiễm trầm trọng

(Thúy Hồng, 2010).

Tác động của hiện tượng phú dưỡng Khi các hồ gia tăng chất dinhdưỡng, các loài tảo phát triển mạnh sẽ hạn chế ánh nắng mặt trời Với hồ phúdưỡng, lượng oxy hòa tan tăng đáng kể khi trời tối do sự hô hấp của tảo, gâythiếu oxy cho các sinh vật thủy sinh Hiện tượng cá chết nhiều ở hồ Dianchi vàThái Hồ ở Trung Quốc là một minh chứng cho hiện tượng này Hiện tượngphú dưỡng có thể gây ra cạnh tranh giữa các loài trong hệ sinh thái, gây ra sựthay đổi trong thành phần loài của hệ sinh thái Ngoài ra, một số tảo nở hoa cóchứa các hợp chất độc hại, tác động lên chuỗi thức ăn, dẫn đến tử vong ở độngvật Đối với con người, nhiều vùng sử dụng nước ao hồ để cung cấp cho sinhhoạt hàng ngày Nhưng do nước chứa nhiều thực vật trôi nổi làm cản trở việclàm sạch, gây ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn cung cấp nước cho người dân

Đồng thời hiện tượng tảo phân hủy gây mùi khó chịu làm các hoạt động bơithuyền, câu cá giảm đáng kể, ảnh hưởng tới du lịch và giải trí Gần đây, lượngkhách du lịch đến với hồ Xuân Hương, trái tim của Đà Lạt giảm nhanh mà

nguyên nhân là hồ đang bị rơi vào tình trạng này (Kim Liên, 2013).

Vi khuẩn, virus và các động vật ký sinh có thể lan truyền trong nước vàgây bệnh Rất nhiều nghiên cứu trên thế giới đã kết luận rằng chất lượng nước

và dung lượng nước sinh hoạt có ảnh hưởng rất lớn tới sức khoẻ con người.Nhiều dịch bệnh liên quan đến nước bị ô nhiễm như bệnh tả, thương hàn, lỵ,tiêu chảy,… đã và đang xảy ra ở những nước phát triển và đang phát triển.Thiếu nước cũng gây ảnh hưởng trầm trọng đến sức khoẻ, đặc biệt là sự phátsinh và lây nhiễm các bệnh về da, mắt và các bệnh truyền qua đường miệng.Ước tính trên thế giới có khoảng 6 triệu người bị mù do bệnh đau mắt hột vàkhoảng 500 triệu người có nguy cơ bị mắc bệnh này Theo thống kê sức khoẻtoàn cầu của trường Đại học Harvard, của Tổ chức Y tế Thế giới và Ngânhàng Thế giới thì hàng năm có khoảng 4 tỷ trường hợp bị tiêu chảy, làm 2,2triệu người chết mà chủ yếu là trẻ em dưới 5 tuổi (tương đương cứ 15 giây thì

có một trẻ em bị chết) Con số này chiếm khoảng 15% số trẻ em chết vì tất cả

các nguyên nhân ở những nước đang phát triển (Nguyễn Thị Bích Thủy, 2014).

2.2 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO

Vi tảo (Microalgae) là tất cả các loại tảo có kích thức hiển vi tức là muốn

quan sát được chúng thì phải sử dụng kính hiển vi Trong số khoảng 50.000loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm khoảng 2/3 Vai trò quan trọng của vi tảothể hiện qua quá trình quang hợp hấp thụ CO2, cung cấp O2 cho các sinh vậtkhác trên trái đất, khép kín vòng tuần hoàn vật chất và làm tăng tốc độ quayvòng của các chu trình đó

2.2.1 Đặc điểm sinh học của vi tảo

Cơ thể tảo được gọi là tản (thallus) vì thiếu thân, rễ và lá nhưng chúng lại

có chlorophyll a − sắc tố quang hợp điển hình Hầu hết các loại tảo đều sốngtrong môi trường nước, từ nước ngọt đến nước mặn và nước lợ Tảo có cấutrúc từ dạng đơn bào đến đa bào và tập đoàn Nhìn chung tế bào tảo có một sốđặc điểm tương tự như thực vật bậc cao: có vách tế bào cấu tạo từ cellulose, cólục lạp và chlorophyll

Vi tảo là một loại tảo đơn bào thuộc lớp thấp nhất trong hệ thực vật quang hợp

6 CO2+12 H2O As

Thành phần sinh hóa của tảo rất giàu chất dinh dưỡng như: Prôtêin,HUFA (Highly Unsaturated Fatty Acids: axit béo cao phân tử không no làthành phần đặc biệt quan trọng đối với ấu trùng tôm cá), vitamin C,…

Môi trường dinh dưỡng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinhdưỡng của từng loài Mặc dù vậy, việc xác định chính xác nồng độ của từngyếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó là rất khó khăn vì nồng độ dinh dưỡng

tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng, nhiệt độ và pH môitrường.

2.2.2 Phân loại

Căn cứ vào màu sắc, sự có mặt của các chất dự trữ, thành phần vỏ, cấutạo nhân tế bào người ta có thể chia tảo thành những ngành khác nhau Vi tảochủ yếu thuộc về các chi trong các ngành sau:

+ Ngành Chlorophyta (Tảo lục): Các chi Closterium, Coelastrum, Dyctyosphaerium, Scenedesmus, Pediastrum, Staurastrum, Dunaliella, Chlamydomonas, Haematococcus, Tetraselmis, Chlorella

+ Ngành Heterokontophyta (Tảo lông roi lệch): Các chi Melosira, Asterionella, Cymatopleurra, Somphonema, Fragilaria, Stephanodiscus, Navicula, Malomonas, Dinobryon, Peridinium, Isochrysis, Chaetoceros, Phaeodactylum, Skeletonema, Nitzschia

+ Ngành Euglenophyta (Tảo mắt): Các chi Phacus, Trachelomonas, Ceratium

+ Ngành Rhodophyta (Tảo đỏ): Các chi Porphyridium, Rhodella…

2.2.3 Giá trị dinh dưỡng của vi tảo

Ưu điểm của vi tảo là kích thước nhỏ phù hợp, dễ tiêu hoá, ít gây ônhiễm môi trường, nhiều loài không có độc tố, có thể chuyển hoá trong chuỗithức ăn, tỷ lệ phát triển nhanh, có khả năng nuôi sinh khối lớn, cung cấp đầy

đủ các dưỡng chất cần thiết cho động vật nuôi Do đó đây là thức ăn sống đặcbiệt quan trọng cho tất cả các giai đoạn phát triển của động vật thân mềm hai

vỏ (Bivalvia) như: hàu, điệp, sò…; ấu trùng của hầu hết các loài tôm, cá, ốc vàcho các động vật phù du Nhìn chung hàm lượng protein của vi tảo dùng trongnuôi trồng thuỷ sản thay đổi từ 6% − 52% , carbohydrate: 5% − 23% , lipit:7% − 23%

2.2.4 Giai đoạn phát triển của quần thể

Theo Trần Thị Thanh Hiền và cs (2000), cho biết sinh trưởng của tảo đặc

trưng bởi 5 pha:

+ Pha thích nghi (Lag phase): mật độ tảo tăng lên ít và thường kéo dàikhi môi trường nuôi được chuyển từ đặc sang lỏng Trong pha này, trao đổichất của tế bào dẫn đến sinh trưởng ví dụ tăng lên về các mức enzyme và traođổi chất bao gồm phân chia tế bào và cố định carbon

+ Pha tăng sinh (exponential growth phase): mật độ tế bào tăng nhanhtheo công thức:

Ct = C0.eμg/lt

Trong đó:

C0: là mật độ tảo tại thời điểm 0

Ct: là mật độ tảo tại thời điểm t

μg/l: tốc độ sinh trưởng đặc trưng, m phụ thuộc loài, cường độ ánh sáng vànhiệt độ, dinh dưỡng, pH, CO2 hoặc các yếu tố thủy lý − hóa bắt đầu hạn chếsinh trưởng.

+ Pha bão hòa (stationary phase): nhân tố giới hạn cân bằng với tốc độsinh trưởng dẫn đến mật độ tảo không tăng thêm nữa

+ Pha tử vong (death/crash phase): trong pha này, chất lượng nước xấu

và chất dinh dưỡng cạn kiệt không thể duy trì sinh trưởng của tảo Mật độ tảo

giảm nhanh chóng và mẻ nuôi bị lụi tàn (Nguyễn Hữu Lộc, 2011; Trần Thị Thanh Hiền và cs, 2000; Trần Văn Vỹ, 1995).

Các pha sinh trưởng của vi tảo được thể hiện trong hình 2.3:

Hình 2.3: Các pha sinh trưởng của tảo

Nguồn: Nguyễn Huỳnh Phương, 2013

2.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo

a Ánh sáng

Vi tảo là loài quang tự dưỡng, chúng sử dụng năng lượng ánh sáng mặttrời, dưỡng chất và các khoáng vi lượng để tự tổng hợp chất hữu cơ cho cơ thểnên thời gian chiếu sáng và cường độ ánh sáng ảnh hưởng rất lớn đến sự pháttriển của tảo nuôi

Ánh sáng phù hợp cho sự phát triển của tảo là 4000 lux − 30.000 lux.Tảo cần sử dụng ánh sáng để tổng hợp carbon vô cơ thành các chất hữu cơ

Đèn huỳnh quang được ưa chuộng vì phổ ánh sáng xanh và đỏ phù hợp cho

quang hợp Thời gian chiếu sáng cần ít hơn 18h/ngày (Trần Thị Thanh Hiền

và cs, 2000; Trần Văn Vỹ, 1995).

b pH

Hầu hết các loài tảo nuôi có thể sống trong khoảng pH = 7 − 9 Nếu pHthay đổi lớn sẽ ức chế sự sinh trưởng, có thể làm cho tảo bị tàn lụi pH ở 8,5 − 9,5 tảo vẫn có khả năng phát triển nhưng rất chậm, pH = 10 − 12 ức chếsinh trưởng của tảo Trong trường hợp nuôi mật độ cao cần cung cấp CO2 để

hạn chế tăng pH (Trần Thị Thanh Hiền và cs, 2000; Trần Văn Vỹ, 1995).

Thời gian nuôi Mật độ tế bào

c Nhiệt độ

Mỗi loài tảo có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau Nhưng nhìn chung nhiệt

độ tối ưu để nuôi tảo dao động trong khoảng 23 oC – 30 oC tùy theo loài

Đối với tảo Chlorella sp các dạng đạm thường được hấp thu là

amonium, nitrat và urea Trong đó amonium cho kết quả tốt nhất (Iriarte,

1991) Trường hợp môi trường nuôi có amonium, nitrat và urea thì chlorella

sp sẽ sử dụng amonium trước tiên còn nitrat và urea sẽ được chuyển hóa

thành amonium trước khi kết hợp vào thành phần hữu cơ Việc bổ sungamonium vào tế bào tảo khi đang hấp thu nitrat thì lập tức hạn chế hoàn toànquá trình này Sự hấp thu amonium là nguyên nhân hấp thu nitrat Amoniumkhông ảnh hưởng đến sự tổng hợp tiền thể của enzyme nitrat nhưng amonium

và các sản phẩm chuyển hóa của nó dường như ngăn cản kết nối tiển thểprotein vào trong enzyme hoạt hóa bằng cách hạn chế quá trình tổng hợpprotein cần thiết cho sự kết nối này (Oh−Hama và Myjachi, 1986)

Trong môi trường nước:

NH4+ ¿ +2 O2→ NO3− ¿ +2 H+H2O¿

Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 1999

Hàm lượng NH4+ trong nước thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào pH, nhiệt

độ, độ mặn và một số loại vi khuẩn Ở nhiệt độ, pH cao thì NH4 sẽ chuyểnhóa thành NH3 và ngược lại theo phản ứng sau:

NH3+H2O ↔ NH4+ ¿ +OH− ¿¿

¿

Nhiệt độ, pH thấp Nhiệt độ, pH cao

Chlorella sp có thể sử dụng nguồn urea khi nó có thể là nguồn cung cấp

đạm duy nhất Theo Roon (1968) (trích bởi Oh−Hama, 1998) khi chuyển N−NO3−thành NH4+ đòi hỏi nguồn năng lượng và enzyme khử nitrat tương tựtheo nghiên cứu của Ojeda (1986), về sự phát triển và thành phần hóa học của

3 loại tảo sử dụng 4 nguồn nitơ khác nhau Ông nhận thấy khi sử dụng nguồn

nitrat là urea trong khi Chlorella sp có tốc độ phát triển cao ở giai đoạn tăng

trưởng khi sử dụng amonium

 Lân

Lân là một trong những nguyên tố chính trong thành phần của tảo Lân

có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra trong tế bào tảo đặc biệt làquá trình chuyển hóa năng lượng và tổng hợp axit nucleic Giống như đạm, lâncũng là yếu tố giới hạn sinh trưởng của tảo Tảo sử dụng chủ yếu là phospho

vô cơ, phospho hữu cơ thường được thủy phân bởi các enzyme ngoại bào nhưphosphoesterase, phosphate để chuyển sang dạng phospho vô cơ dễ tiêu Việchấp thu lân ở tảo được kích thích bởi ánh sáng

Lân thường tồn tại ở hai dạng phosphate vô cơ (DIP) hoặc phospho hữu

cơ hòa tan (DOP) Hầu hết phospho hòa tan là DOP DIP thường ở dạngorthophosphate (PO43−) một ít monophosphate (HPO42−) và dihydrogenphosphate (H2PO4 ) Tảo chỉ có thể sử dụng phosphate hữu cơ hòa tan Khimôi trường thiếu phosphate hữu cơ hòa tan, tảo có thể tiết ra enzyme alkalinephosphate, đây là một enzyme ngoại bào có khả năng giải phóng phosphatetrong phạm vi chất hữu cơ Hơn nữa, khi hàm lượng phosphate hữu cơ hòa tanbiến động trong khoảng thời gian ngắn thì tảo có thể hấp thu và dư trữphosphate dưới dạng polyphosphate trong tế bào Trong thời gian biến động,một tế bào tảo có thể dự trữ phosphate đủ cho sự phân chia 20 tế bào (Graham

và Wilcox, 2000)

 Môi trường dinh dưỡng

Có nhiều môi trường dinh dưỡng dùng để nuôi tảo như: môi trườngWalne, Guillard, Ryther, Tamya, Ito và phân vô cơ Nhưng trong phạm vi sảnxuất, cơ sở sử dụng hai loại môi trương chính là môi trường Walne (dùngtrong nhân giống và nhân sinh khối ngoài trời với các thể tích nhỏ) và phân vô

cơ (dùng trong sản xuất sinh khối tảo ở bể ximăng) (Đào Thị Hằng, 2006).

2.3 TỔNG QUAN VỀ TẢO CHLORELLA SP.

2.3.1 Đặc điểm phân loại

Tảo lục (chlorella) được M.W.Beijerinck một nhà sinh vật học người

Hà Lan phát hiện ra vào năm 1890 Chlorella là một chi của tảo xanh đơn bào Ngành (division): Chlorophyceae;

Lớp (class): Trebouxiophyceae;

Bộ (ordo): Chlorellales;

Họ (familia): Chlorella;

Loài: Chlorella sp.

Hình 2.4: Tảo chlorella sp.

Nguồn: ccala.butbn.cas.cz

Về mặt phân loại, do có sự khác biệt nhỏ giữa các dạng tế bào và gầnnhư hình cầu, hơn nữa kích thước và hình dạng thay đổi theo điều kiện môitrường và giai đoạn phát triển nên sự phân loại của nhóm rất dễ bị nhầm lẫn

2.3.2 Hình thái, cấu tạo

Chlorella sp là một loại tảo đơn bào, không có tiêm mao, không có khả

năng di động Tế bào có dạng hình cầu, hình bán cầu hoặc dạng kích cỡ tế bào

từ 3 – 5 μg/lm tùy loài và tùy điều kiện môi trường và giai đoạn phát triển Màng

tế bào có vách cellulose bao bọc, chịu được những tác động cơ học nhẹ

tổ chức dạng hạt Cuối pha sinh trưởng và đầu pha sinh sản, tế bào trở lên cónhiều nhân Sự thay đổi các điều kiện môi trường sẽ ảnh hưởng rất lớn đến

hình thái của tế bào (Trần Thị Thanh Hiền và cs, 2000).

2.3.3 Sinh sản

Chlorella sp sinh sản vô tính bằng cách hình thành bất động bào tử, sự

hình thành bào tử có màng dày do tế bào mẹ dày lên hay bào tử nghỉ, khôngchuyển động được

2.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển

Độ pH thích hợp đối với tảo Chlorella sp từ 6,0 − 8,5 (Nguyễn Thanh Phương và cs., 2003)

Tảo Chlorella sp sinh trưởng kém ở nhiệt độ dưới 15 oC và trên 35 oC

Ở nhiệt độ 25 oC – 30 oC với điều kiện dinh dưỡng tốt, cường độ ánh sáng và

sự khuấy đảo thích hợp Chlorella sp sẽ phát triển nhanh (Trần Thị Thúy Phương, 2012).

Mỗi loài tảo có khả năng thích nghi với từng độ mặn khác nhau

Chlorella sp là loài rộng muối, có thể sinh trưởng ở độ mặn 5‰ – 30‰, nhưng tốt nhất là khoảng 25‰ – 30‰ (Trần Thị Thúy Phương, 2012).

Nguồn: Trần Đình Toại và Châu Văn Minh, 2005

Chlorella sp có hàm lượng protein cao và các chất dinh dưỡng thiết yếu

khác; khi sấy khô nó chứa khoảng 45% protein, 20% chất béo, 20%

carbohydrate, 5% chất xơ, 10% chất khoáng và vitamin (Phạm Thành Hổ, 2008).

2.3.6 Các nghiên cứu khả năng xử lý nước thải của vi tảo

Hiện nay, ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nguồn nước sạchnói riêng diễn ra ngày càng nghiêm trọng và phức tạp Trước thực trạng đó, thìviệc không ngừng tìm ra các biện pháp xử lý nước thải tối ưu vừa xử lý nướcthải vừa thân thiện với môi trường là vấn đề cần quan tâm Dựa trên cơ chếphát triển cần hấp thu nguồn dinh dưỡng trong nước của vi tảo các nhà nghiêncứu môi trường đã đưa ra một số nghiên cứu chứng minh khả năng xử lý nướcthải của vi tảo:

Nghiên cứu của Võ Thị Kiều Thanh và cs (2012), về “ứng dụng tảo

chlorella sp và Daphnia lọc chất thải hữu cơ trong nước thải từ quá trình chăn

nuôi lợn sau xử lý bằng UASB” Mẫu nước thải sau khi xử lý yếm khí và hiếukhí từ trại chăn nuôi lợn Đồng Hiệp, TP Hồ Chí Minh có hàm lượng COD:

430 mg/l; BOD5: 174 mg/l; nitơ tổng số (TN): 538 mg/l; phospho tổng số(TP): 191 mg/l được pha loãng 4 lần với nước máy đem nuôi tảo 9 ngày, ởđiều kiện ánh sáng 1000 lux, nhiệt độ 28 oC sinh khối tảo đạt 107 tế bào/ml,hàm lượng COD trong nước thải từ quá trình chăn nuôi lợn giảm 65,8% −88,2% ; BOD5 giảm 61,4% − 84%; TN giảm 87,4% − 90,18% đạt tiêu chuẩn

xả thải của Việt Nam; chỉ có hàm lượng TP có hiệu quả xử lý là 47,7% −56,15%, nhưng hàm lượng còn lại cao 18,9 mg/l – 100 mg/l chưa đạt tiêu

Việt Nam Mẫu nước thải từ quá trình chăn nuôi lợn sau khi nuôi tảo 9 ngàytrong bố trí thí nghiệm trên đem nuôi 10 Daphnid (0 – 24 giờ tuổi)/500 ml, sau

16 ngày đã lọc hoàn toàn lượng tảo trong mẫu và tốc độ sinh trưởng củaDaphnia trong các mẫu thí nghiệm đạt từ 0,18 – 0,23 Hàm lượng TN và TPtiếp tục giảm lần lượt đến 94,15% , 80% và đạt tiêu chuẩn đổ ra nguồn nước.Dựa trên nghiên cứu của Trần Chấn Bắc và cs (2013) với “thử nghiệm

việc xử lý nước thải ao nuôi cá tra bằng tảo Chlorella sp và Spirulina sp.” kết quả nghiên cứu cho thấy Tảo Chlorella phát triển tốt trong 100% nước thải ao

cá tra và hấp thu lượng dinh dưỡng tốt nhất vào ngày 3 (với hiệu suất hấp thuN−NO3− giảm 95,27%, N−NH4+ giảm 43,48% và P−PO43− giảm 88,66%) ở

nghiệm thức 100% nước thải ao cá tra Tảo Spirulina có thể phát triển tốt

trong nước thải ao cá tra và hấp thu một lượng dinh dưỡng tốt nhất vào ngày 5(với hiệu suất N−NO3 giảm 95,62% và P−PO43− giảm 68,02% ) ở nghiệm thức100% nước thải ao cá tra Riêng hàm lượng NH4 gia tăng, chứng tỏ Spirulina

không hấp thu tốt NH4+

Nhóm tác giả gồm KS Nguyễn Trung Hiệp và cs (2015), trường đại họckhoa học tự nhiên TP.HCM đã tìm ra giải pháp dùng tảo để xử lý nước thải vàchiết xuất nhiên liệu sinh học Đây là đề tài đã đoạt giải khuyến khích tại cuộcthi Ý tưởng sáng tạo với chủ đề: “Tiết kiệm năng lượng cho cuộc sống xanh”năm 2015 do Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ trẻ, Thành đoànTP.HCM phối hợp với Sở công thương TP.HCM tổ chức vào cuối tháng

7/2015 Nhóm tiến hành thử nghiệm nuôi vi tảo Chlorella vulgaris trong hệ

thống ống dẫn, sử dụng ống nhựa acrylic trong suốt để làm hệ thống ống nuôi.Nhóm đã lựa chọn phương pháp sử dụng dimethyl ether (DME) trong quátrình chiết xuất dầu, giúp tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp trước

đó KS Nguyễn Trung Hiệp cho biết thêm, qua nghiên cứu các tài liệu trên thếgiới và trong nước, nhóm nhận thấy việc nuôi tảo xử lý nước thải và chiết xuấtnhiên liệu là hoàn toàn khả thi, có tính ứng dụng cao, phù hợp với điều kiện

Việt Nam Dựa trên đặc tính sinh trưởng của loài tảo Chlorella vulgaris là có

thể sinh trưởng tốt trong môi trường nước thải, nhóm đã chọn nguồn nước thảisinh hoạt để làm nguồn dinh dưỡng nuôi tảo, từ đó góp phần giải quyết vấn đề

môi trường

Những loài tảo và vi khuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong

xử lý nước thải chủ yếu trong các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus, …

Từ nhiều năm qua đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứngdụng các loài tảo trong xử lý nước ô nhiễm Tại Việt Nam, năm 2010 nghiêncứu tại trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo

Tetraselmis sp có khả năng làm sạch nước thải nuôi tôm sú Tại Trung Quốc,

năm 2009, nghiên cứu của trường Đại học Nanchang cũng đã chứng minh

được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu quả của loài tảo Chlorella Năm

2010, các nhà nghiên cứu ở Thụy Điển cũng chỉ ra các loài vi tảo có khả năng

xử lý nitơ và phospho có trong nước thải rất tốt, hiệu quả xử lý nitơ đạt 60% −80% và phospho đạt 60% − 100% trong các tháng của mùa hè

Hiện nay, trong nước có không nhiều các công trình nghiên cứu khả năng

xử lý nước thải sinh hoạt của vi tảo, các nghiên cứu hiện tại xoay quanh khảnăng thu sinh khối tảo như một nguồn nặng lượng tái tạo mới Tuy nhiên,trước hiện trạng môi trường ngày càng suy giảm, nguồn nước sạch ngày càngđược quan tâm và yêu cầu về tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe thìviệc quan tâm đến một phương pháp vừa thu lợi ích kinh tế vừa góp phần bảo

về môi trường là rất cần thiết Để tìm hiểu về vi tảo và những công trìnhnghiên cứu khả năng xử lý nước thải của vi tảo trên thế giới:

Công trình nghiên cứu của Karin Larsdotter (2006), cho rằng nước thảisinh hoạt là một môi trường lý tưởng cho sự phát triển của vi tảo vì nước thảisinh hoạt chứa nồng độ cao cất chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của

vi tảo Nghiên cứu được thực hiện thông qua hai hệ thống kín và hở Hệ thốngkín cho phép kiểm soát tốt các điều kiện tăng trưởng của vi tảo, ngược lại hệthống mở phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài dễ xây dựng và kinh phí đầu tưkhông quá cao

Kwangyong Lee and Choul−Gyun Lee (2001), với công trình nghiên cứu

tảo chlorella kessleri được cấy vào nước thải sử dụng chiếu sáng ban ngày chu

kỳ 12 h sáng – 12 h tối, mật độ cấy tế bào 105 ct/ml và một nghiệm thức tương

tự được chiếu sáng liên tục Kết quả, cả hai nghiệm thức cho thấy tổng carbonhữu cơ (TOC) và nhu cầu oxy hóa học (COD) giảm 20% nồng độ ban đầutrong vòng một ngày Tuy nhiên, mật độ tế bào tảo trong nghiệm thức chiếusáng theo chu kỳ 12 h thấp hơn mật độ tế bào tảo trong nghiệm thức chiếu liên

3 ngày

Công trình nghiên cứu của Mostafa S.S.M et al (2012), với mục tiêuđánh giá sự tăng trưởng của chín loài vi tảo vào nước thải sinh hoạt được lấy

từ nhà máy xử lý nước thải Zenein, Ai Cập Các loài vi tảo được cấy vào cácđiều kiện nước thải sinh hoạt khác nhau của nhà máy: nước thải sinh hoạtkhông qua xử lý, kết hợp với các chất dinh dưỡng có khử trùng và kết hợp vớicác chất dinh dưỡng mà không qua khử trùng Thí nghiệm được lặp lại 3 lần

và tiến hành thí nghiệm trong môi trường có nhiệt độ 25 oC, sục khí và chiếusáng liên tục trong 15 ngày nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy nước thảisinh hoạt kết hợp các chất dinh dưỡng có khử trùng cho kết quả tốt nhất trongnuôi cấy 5 loài tảo so với các nghiệm thức khác Nghiệm thức chứa nước thải

khử trùng là môi trường chọn lọc cho nuôi cấy scillatoria sp và Phormedium

sp

Nghiên cứu của Deviram GVNS, Pradeep K.V and R Gyana Prasuna(2011), nghiên cứu một phương pháp mới xử lý nước thải đã phát triển bằngcách phát triển một dãy hệ thống xử lý Thảm vi sinh sử dụng cho nghiên cứu

này được chi phối bởi các loài tảo như Ulva sp, Cladophora sp and Chlorella sp các thông số khác nhau như nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu

cầu oxy sinh học (BOD) được quan sát sau quá trình điều trị trong ba giaiđoạn, quá trình di động miễn phí, hàng loạt quá trình và quá trình dòng chảyliên tục Kết quả thu được tỷ lệ phần trăm giảm được trong quan sát với quá

trình dòng chảy liên tục sử dụng Chlorella sp và tỷ lệ giảm là 52,1% (COD)

và 50,8% (BOD) cùng với những thay đổi trong oxy hòa tan (DO) và pH Kết

quả cho thấy rõ tiềm năng của Chlorella sp cho sử dụng trong xử lý nước thải.

Đây là một sự lựa chọn sáng tạo, tiết kiệm và an toàn với môi trường xử lýnước thải

2.4 ỨNG DỤNG CỦA SINH KHỐI TẢO

2.4.1 Sản xuất nhiên liệu sinh học

Sinh khối vi tảo đang là đối tượng nghiên cứu phổ biến trên thế giới chomục tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học, trong đó lipid từ vi tảo là nguồn nguyênliệu cho sản xuất biodiesel Vì vậy, các biện pháp nhằm nâng cao năng suấtlipid được đặc biệt quan tâm hiện nay Trong đề tài này, chúng tôi khảo sátảnh hưởng của các điều kiện nuôi trồng trong phòng thí nghiệm như tốc độ sụckhí CO2, nồng độ dinh dưỡng Nitơ, cường độ ánh sáng đến năng suất sinh khối

và hàm lượng lipid trên vi tảo Chlorella Vulgaris Đây là một trong các chủng

vi tảo tiềm năng cho mục tiêu kết hợp xử lý nước thải, tận dụng CO2 từ khíthải và phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam Kết quả ban đầu cho thấy,việc tăng cường độ chiếu sáng và giảm nồng độ nitơ có thể tăng hàm lượnglipid nhưng giảm năng suất sinh khối Đồng thời, việc bổ sung CO2 vào môitrường cho phép tăng năng suất sinh khối và lipid Bên cạnh đó, việc thử

nghiệm nuôi trồng Chlorella Vulgaris trong nước thải hầm biogas được pha

loãng 1,25 lần cho thấy, chủng này có khả năng sinh trưởng, cho dầu và giảmđáng kể nồng độ Nitơ và Phospho trong nước thải (Nguyễn Minh Tuấn và cs,2012)

Theo Cleantech (2013), nhiều chính phủ và các công ty lớn trên thế giới

đã đầu tư cho các nỗ lực nghiên cứu nhằm tối ưu hóa công nghệ sản xuấtNLSH từ tảo, giảm xuống tối thiểu chi phí sản xuất, khiến cho công nghệ sảnxuất này trở nên khả thi về mặt thương mại Ở nhiều nơi người ta nuôi trồngtảo với lượng lớn để sản xuất etanol sinh học, điêzen sinh học, butanol sinhhọc, metanol sinh học và các loại NLSH khác

Những ích lợi của việc sản xuất NLSH từ tảo là:

− Hoạt động nuôi trồng tảo chỉ có những tác động tối thiểu đối với nguồn nước

− NLSH từ tảo có thể được sản xuất bằng cách sử dụng nước thải hoặcnước biển

− NLSH từ tảo có thể phân hủy sinh học và vô hại đối với môi trường,ngay cả khi bị đổ vãi

2.4.2 Xử lý nước thải

Theo Cleantech (2013), so với các phương pháp xử lý nước thải truyềnthống, việc sử dụng tảo để xử lý nước thải có những ích lợi quan trọng nhưsau:

− So với các quy trình xử lý bùn và các quy trình xử lý thứ cấp khác, sửdụng tảo là phương pháp chi phí thấp để loại bỏ các hợp chất phosphate cũngnhư các hợp chất nitơ và các mầm bệnh

− Các quy trình xử lý nước thải theo phương pháp truyền thống thườngbao gồm hoạt động sục khí tiêu tốn nhiều năng lượng, trong khi đó phươngpháp xử lý nước thải bằng tảo lại sản xuất ra oxy cần thiết cho các vi khuẩn ưakhí

Sử dụng tảo là phương pháp hiệu quả để tiêu hóa chất dinh dưỡng trong nướcthải và cung cấp oxy từ quá trình quang hợp cho các vi khuẩn ưa khí

− Trong các cơ sở xử lý nước thải truyền thống, bùn thường chứa cácchất thải rắn có hại mà cuối cùng sẽ được chở ra bãi rác Trong khi đó, các cơ

sở xử lý nước thải bằng tảo sẽ tạo ra bùn là sinh khối tảo với hàm lượng nănglượng cao, có thể được xử lý tiếp để sản xuất phân bón hoặc NLSH Côngnghệ xử lý bằng tảo cũng không sử dụng hóa chất và toàn bộ quy trình xử lýkhá đơn giản, chỉ tạo ra lượng bùn ở mức tối thiểu

− Các nhà máy xử lý nước thải truyền thống đóng góp một phần đáng kểvào quá trình hình thành các khí gây hiệu ứng nhà kính Các cơ sở xử lý nướcthải bằng tảo cũng giải phóng CO2 nhưng nhỏ hơn nhiều lượng CO2 mà tảotiêu thụ, nhờ đó toàn bộ quy trình xử lý bằng tảo không phát sinh mà còn tiêu thụ CO2

− Sinh khối tảo là nguồn nguyên liệu cho sản xuất điêzen sinh học

2.4.3 Các ứng dụng thân thiện với môi trường

Theo Cleantech (2013), tảo có thể được sử dụng để thu giữ phân bóntrong nước thải nông nghiệp Sau khi thu hoạch, tảo lại được sử dụng làmphân bón (

− Do tảo phát triển tốt cả trong các điều kiện khắc nghiệt và không đòihỏi nhiều chất dinh dưỡng, chúng có thể được nuôi trồng ở những nơi khôngthích hợp cho sản xuất nông nghiệp, vì vậy không cạnh tranh về đất canh tác.Mặt khác, khi nuôi trồng tảo người ta có thể sử dụng nước thải mà không cần

sử dụng nguồn nước nông nghiệp

− Khác với các cây trồng khác, tảo không phụ thuộc vào các điều kiệnmùa vụ Tảo có thể phát triển tốt ở bất cứ nơi nào có khí hậu ấm và nhiều ánhnắng Mặt Trời

− Tảo cũng có thể được nuôi trồng trong nước biển hoặc trong sa mạc.Tảo cũng có thể được nuôi trồng trong nước thải và nước có chứa các hợp chấtphosphate, nitrat hoặc các chất nhiễm độc khác

− Do hoạt động nuôi trồng tảo là trung tính về mặt phát thải CO2, nó cóthể giúp lấy CO2 ra khỏi không khí Các trại nuôi trồng tảo có thể được đặt gầncác nhà máy nhiệt điện hoặc các nhà máy khác phát thải CO2

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Khả năng xử lý nitơ và phospho của tảo Chlorella sp

Nước thải sinh hoạt trước và sau thí nghiệm

3.2 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU

Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 12/2015 đến tháng 4/2016

Địa điểm nghiên cứu: Khu thí nghiệm trường Đại học An Giang, phòng 420

3.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ và phospho trong nước thải sinh hoạt

của tảo Chlorella sp.

3.4 MẪU NGHIÊN CỨU

Mẫu nước thải nghiên cứu là nguồn nước thải sinh hoạt được lấy từ đầu

3.5 THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm được bố trí trong keo thủy tinh trong suốt, chiều cao cộtnước thí nghiệm không quá 50 cm để đảm bảo ánh sáng tiếp xúc với tảo Thínghiệm được sục khí liên tục nhằm tạo sự xáo trộn để đảm bảo quá trình phát

triển đồng đều của Chlorella sp Thí nghiệm được chiếu sáng liên tục bằng

đèn huỳnh quang với cường độ chiếu sáng 1000 lux đảm bảo đủ ánh sáng cho

sự phát triển của tảo Bố trí thí nghiệm với 3 lần lặp lại và 7 ngày nghiên cứu

Bố trí thí nghiệm được thể hiện trong bảng 3.1:

Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm

Nghiệm thức

Thời gian nghiên cứu (ngày)

PP xử

lý sơ bộ

Nồng độ nước thải (%)

Mật độ tảo ban đầu ( ≈ ct/ml)

Lặp lại (lần)

Thể tích tảo chlorella sp (70 ml) thả vào nước thải là môi trường dinh

dưỡng Walne với thành phần dinh dưỡng N−NO3 147,52 mg/l, N−NH4 0,32mg/l, P−PO43− 191,78 mg/l

3.6 CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU

3.6.1 Thiết bị nghiên cứu

Keo thủy tinh thể tích 15 lít

Máy thổi khí

Đèn huỳnh quang loại 1,2 m, công suất 36 W, cường độ chiếu sáng

1000 lux

Buồng đếm tảo Sedgewick − Rafter

3.6.2 Thiết bị và hóa chất phân tích mẫu

Thiết bị: bình định mức, bình tam giác, hủ thủy tinh, pipet, cân phân tích,máy chưng cất đạm bán tự động, …

Hóa chất: các hóa chất phân tích mẫu TN, N−NH4 , TP, P−PO43−, COD,BOD…

3.7 QUI TRÌNH NGHIÊN CỨU

Qui trình nghiên cứu khả năng xử lý nitơ và phospho trong nước thảisinh hoạt được thực hiện với hai nghiệm thức:

3.7.1 Qui trình nghiên cứu nghiệm thức 1

Hình 3.4: Qui trình nghiên cứu NT1

Hình 3.4 mô tả qui trình nghiên cứu nghiệm thức 1 Mẫu nước thải đượclấy từ nguồn thải mang về phòng thí nghiệm tiến hành quá trình nghiên cứu.Đối với nghiệm thức 1, đầu tiên nước thải được tiến hành keo tụ bằng phèn.Dung dịch phèn bão hòa được thả vào nước và khuấy đều, đồng thời tiến hànhkiểm tra pH để giá trị pH nằm trong khoảng 6 – 7 đến khi thấy xuất hiện bôngcặn lớn thì kết thúc quá trình thả phèn vào nước thải Sau đó, chờ đến khi cácbông cặn lắng hoàn toàn, gạng lấy phần nước trong, nhận thấy độ màu và độđục của nước thay đổi rõ rệt do hàm lượng cặn giảm đáng kể, chỉ tiêu TSS ởNT1 sau quá trình keo tụ bằng phèn đạt tiêu chuẩn loại A (<50 mg/l) theoQCVN 14:2008 về nước thải sinh hoạt làm tăng khả năng hấp thu ánh sángcủa vi tảo Thu một phần mẫu nước trong tiến hành phân tích các chỉ tiêu ônhiễm, phần còn lại bố trí thí nghiệm với 3 lần lặp lại Thả 70 ml vi tảo vào

mô hình thí nghiệm, dung dịch tảo thả vào là môi trường Walne với một sốthành phần dinh dưỡng N−NO3− 147,52 mg/l, N−NH4+ 0,32 mg/l, P−PO43−

191,78 mg/l Thu mẫu mỗi ngày 500 ml mẫu vào 8 giờ sáng tiến hành phântích các chỉ tiêu ô nhiễm để theo dõi sự biến động chất lượng nước thải đồngthời theo dõi sự phát triển của vi tảo

+TP + Đếm tảo

P-PO43-Phân tích:

+pH, BOD, COD + TN, N-NH4+

+TP

P-PO43-Mẫu nước thải

Lấy mẫu

So sánh và kết luận

3.7.2 Qui trình nghiên cứu nghiệm thức 2

Hình 3.5: Qui trình nghiên cứu NT2

Hình 3.5 thể hiện qui trình nghiên cứu nghiệm thức 2, nước thải đượcmang về phòng thí nghiệm tiến hành lắng tự nhiên để giảm hàm lượng chấtrắn lơ lửng (các chất rắn có kích thước lớn), gạng lấy phầm nước trong Tiếnhành kiểm tra chất lượng nước đầu vào trước khi bố trí thí nghiệm với 3 lầnlặp lại Thả 70 ml vi tảo vào mô hình thí nghiệm, dung dịch tảo thả vào là môitrường Walne với một số thành phần dinh dưỡng N−NO3− 147,52 mg/l,N−NH4+ 0,32 mg/l, P−PO43− 191,78 mg/l Thu mẫu mỗi ngày 500 ml mẫu vào

8 giờ sáng tiến hành phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm để theo dõi sự biến độngchất lượng nước thải đồng thời theo dõi sự phát triển của vi tảo

+TP + Đếm tảo

P-PO43-Phân tích:

+pH, BOD, COD + TN, N-NH4+

+TP

P-PO43-Mẫu nước thải

Lấy mẫu

So sánh và kết luận

Các phương pháp phân tích mẫu hiện hành được thể hiện trong bảng 1

Bảng 1: Phương pháp phân tích chỉ tiêu ô nhiễm

Tổng Nitơ (TN) mg/l TCVN 5987 – 1995

Amonia (N−NH4+) mg/l TCVN 5988:1995

Tổng Phospho (TP) mg/l Phương pháp trắc quang

Phosphate (P−PO43−) mg/l Phương pháp trắc quang (Theo SMEWW

 Phá mẫu

Lấy 50 ml mẫu cho vào ống Kjeldahl, thêm 10 ml axit sunfuric, 5 gamhỗn hợp xúc tác, thêm vài viên đá bọt và đun dung dịch trong bình cho đếnsôi Phải tiến hành giai đoàn này trong tủ hút Sau khi nước bay hơi hết, khóitrắng bắt đầu bốc lên

Sau khi hết khói trắng, dung dịch trong bình trở nên trong suốt, ngừngđun để nguội đến nhiệt độ phòng

 Chưng cất NH 3

Mẫu sau khi phá xong cho vào máy chưng cất, cho vào bình hấp thukhoảng 50 ml axit boric đã có chỉ thị hỗn hợp Lắp vào hệ thống máy chưngcất và tiến hành chưng cất amoni với thời gian chưng cất khoảng 5 phút saukhi đã thêm khoảng 40 ml – 50 ml NaOH 50 %

Kết thúc quá trình chưng cất dung dịch có màu xanh, rửa sạch ống sinhhàn cho vào bình hấp thu (có thể thử quá trình chưng cất amoni có hết haykhông bằng thuốc thử Nessler)

Chuẩn độ dung dịch amonitetraborat bằng dung dịch HCl 0,1 N, kết thúcquá trình chuẩn độ dung dịch chuyển từ màu xanh sang màu hồng đỏ Ghi thểtích HCl 0,1 N tiêu tốn (V1)

Tiến hành phân tích mẫu thử trắng như trên nhưng thay đổi bằng nướccất Ghi lại thể tích HCl 0,1 N tiêu tốn

Thêm MgO (5% ) vào ống chưng cất cho đến khi dung dịch chuyển sangmàu hồng nhạt.

Lắp nhanh ống chưng cất vào hệ thống máy chưng cất đạm

Lấy khoảng 25 ml – 50 ml dung dịch axit boric (đã cho thêm hỗn hợp chỉthị) cho vào bình hấp thu, đặt bình hấp thu vào dưới ống sinh hàn sao chophần ống sinh hàn phải ngập trong dung dịch axit boric

Tiến hành chưng cất trong khoảng thời gian 5 phút

Sau khi cất xong, chuẩn độ dung dịch trong bình hấp thu bằng HCl 0,1Nchuẩn, dừng chuẩn độ khi dung dịch chuyển đến màu hồng Ghi thể tích dungdịch HCl 0,1 N tiêu tốn là V1 (ml)

Tiến hành phân tích mẫu trắng song song và ghi thể tích HCl 0,1 N tiêutốn và Vo (ml)

Nồng độ amoni tính theo nitơ được tính theo công thức:

V m: Thể tích mẫu thử đem phân tích (ml);

N HCl: Nồng độ chính xác của dung dịch HCl dùng để chuẩn độ (N);14,01: Khối lượng nguyên tử của nitơ (g/mol)

Kết quả có thể thể hiện bằng nồng độ khối lượng của nitơ CN (mg/l), củaamoniac C NH3 hoặc của ion amonia C NH

Đường chuẩn phân tích hàm lượng Phospho tổng (bảng 3.4)

 Tính toán kết quả

Từ phương trình đường chuẩn tính hàm lượng P: Cđc (mg/l)

Hàm lượng phospho tổng trong mẫu nước tính bằng mg/l:

V mau : Thể tích mẫu đem phá mẫu;

f : Hệ số pha loãng (nếu có)

d Phân tích chỉ tiêu phosphate

 Xây dựng đường chuẩn

Dung dịch chuẩn làm việc: Dung dịch chuẩn P 5mg/l

 Chuẩn bị dung dịch blank và mẫu

Lấy 5 ml – 30 ml mẫu đã xử lý cho vào bình định mức 50 ml, thêm 4

ml dung dịch hỗn hợp thuốc thử thêm nước cất đến vạch Đo màu bước sóng

f: Hệ số pha loãng (nếu có)

3.8.2 Theo dõi mật độ tảo

Buồng đếm tảo Sedgewick−Rafter: là buồng đếm thường được sử dụng

để đếm tảo với các mẫu tảo hỗn hợp, nó giúp cho việc giới hạn thể tích và diệntích mẫu nhằm dễ dàng đếm và tính toán lượng tảo có trong mẫu Buồng đếm

là 1 khung hình chữ nhật với kích thước (50 x 20 x 1) mm3, diện tích củabuồng đếm là 1.000 mm2 và thể tích là 1 ml Mỗi ô đếm có diện tích là 1 mm2.Khi lấy mẫu, đậy nắp buồng đếm lên phía đầu buồng theo đường chéo vànhư vậy buồng đếm chỉ được bao 1 phần, điều này giúp ngăn chặn sự hìnhthành bong bóng khí ở các góc buồng đếm Dùng pipet cho 1 ml nước mẫuvào 1 góc buồng đếm, sau khi làm đầy, nhẹ nhàng đẩy nắp ngay lại để trảinước đầy buồng đếm Phải để lắng mẫu trong buồng đếm khoảng 20 phúttrước khi bắt đầu đếm Quy ước đếm tất cả các tế bào tảo nằm ở đường biênphía trên và phía tay phải, không đếm các tế bào tảo nằm trên đường biên vàphía tay trái của ô trong thị trường đếm Để điều chỉnh nồng độ cô đặc hoặcpha loãng mẫu thì kết quả được chia hoặc nhân với hệ số điều chỉnh thích hợp.Đối với buồng đếm Sedgewick−Rafter chỉ đếm tảo ở vật kính 4x hoặc 10x, do

độ sâu của buồng đếm và chiều dài ống kính không phù hợp đã ngăn cản việc

sử dụng các vật kính có độ phóng đại lớn hơn Tuy nhiên, nếu đếm tảo hỗnhợp bằng buồng đếm Sedgewick−Rafter bằng kính hiển vi đảo ngược thì cóthể sử dụng các ống kính có độ phóng đại cao hơn (40x), với kỹ thuật đếm nàycho phép đếm và phân loại chính xác tảo kể cả các tế bào nằm lắng ở bên dướiđáy buồng đếm ô tả phương pháp đếm tảo ở hình 3.6:

Hình 3.6: Phương pháp đếm tảo bằng buồng đếm Sedgewick−Rafter

Công thức tính mật độ tảo (Boyd và Tucker, 1992):

Mật độ tảo(cá thể /ml )=T × 1000

A × N ×

Thể tíchmẫu cô đặc (ml ) Thể tíchmẫu nước thu(ml)

Nguồn: Vũ Ngọc Út và Dương Thị Hoàng Oanh, 2013

kỳ 1 ô

Đếm bất kỳ 1 ô

10 ô

10 ôĐếm bất kỳ 1 ô