Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tăng trưởng sinh khối vi tảo và hiệu suất xử lý nước thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------ HOÀNG THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TĂNG TRƯỞNG SINH KHỐI VI TẢO VÀ HIỆU SUẤT XỬ LÝ NƯỚC THẢI LUẬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

HOÀNG THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TĂNG TRƯỞNG SINH KHỐI VI TẢO VÀ

HIỆU SUẤT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐOÀN THỊ THÁI YÊN

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả Các số liệu nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chính xác Những tài liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng

Học viên

Hoàng Thị Thu Trang

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian thực hiện đề tài tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên và giúp đỡ từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè để hoàn thành tốt đề tài luận văn dù gặp nhiều khó khăn

Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới TS Đoàn Thị Thái Yên – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội, người luôn theo sát, giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Đồng thời, tôi cũng xin cám ơn các thầy, các cô và các cán bộ công tác tại Phòng thí nghiệm, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường

Nhân đây, Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo cùng các đồng nghiệp làm việc cùng tôi tại Trung tâm Quan trắc môi trường Bắc Giang đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bố mẹ và bạn bè đã luôn ủng

hộ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày 18 tháng 9 năm 2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG TẢO CHLORELLA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 9

1.1 Đặc điểm phân loại và đặc điểm sinh học tảo Chlorella 9

1.1.1 Đặc điểm phân loại 9

1.1.2 Đặc điểm sinh học của Chlorella 10

1.1.3 Sinh sản 12

1.1.4 Các giai đoạn phát triển của tảo [5] 13

1.1.5.Thành phần dinh dưỡng của vi tảo 14

1.1.6 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo 15

1.2 Ứng dụng của tảo Chlorella trong xử lý nước thải chăn nuôi 18

1.2.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi 18

1.2.2 Ứng dụng của vi tảo trong xử lý nước thải 22

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Hóa chất, thiết bị thí nghiệm và nước thải 24

2.2 Chuẩn bị giống tảo sạch làm thí nghiệm 25

2.3 Phương pháp xác định sinh khối tảo 26

2.4 Phương pháp xác định các chỉ tiêu môi trường nghiên cứu 27

2.5 Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ nước thải đầu vào (tỉ lệ pha loãng) 29

2.6 Thí nghiệm ảnh hưởng của loại ánh sáng 30

2.7 Thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 31

2.8 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ 32

2.9 Xử lý số liệu 33

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Ảnh hưởng của nồng độ nước thải đầu vào (tỉ lệ pha loãng) 34

3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của loại ánh sáng 42

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 45

3.4 Kết quả nghiêncứu ảnh hưởng của nhiệt độ 49

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hóa học trong tảo Chlorella vulgaris[9] 14

Bảng 1.2 Tính chất nước thải chăn nuôi gia súc[2] 19

Bảng 2.1 Thành phần của môi trường BG-11 24

Bảng 3.1 Kết quả phân tích các thông số nước thải đầu vào theo các mức pha loãng khác nhau 34

Bảng 3.2 Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP ở các loại ánh sáng khác nhau 44

Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý COD, TKN và TP theo cường độ ánh sáng 48

Bảng 3.4 Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP ở các mức nhiệt độ khác nhau 50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh Tảo Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi 9

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình sinh sản của tảo 12

Hình 1.3 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo 13

Hình 1.4 Một số hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn 21

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm nhân giống tảo 26

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm về ảnh hưởng của loại ánh sáng 30

Hình 2.3 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 31

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ 32

Hình 3.1 Đường cong sinh trưởng của Chlorella vulagaris B5 trong nước thải chăn nuôi lợn ở các mức pha loãng khác nhau 35

Hình 3.2 Nồng độ sinh khối khô của tảo nuôi trong nước thải pha loãng ở các mức khác nhau 37

Hình 3.3 Diễn biến của COD theo thời gian nuôi tảo ở các tỉ lệ pha loãng nước thải khác nhau 38

Hình 3.4.Hiệu suất xử lý COD ở các tỉ lệ pha loãng nước thải khác nhau 38

Hình 3.5 Hiệu suất xử lý TKN ở các tỉ lệ pha loãng nước thải khác nhau 40

Hình 3.6 Hiệu suất xử lý TP ở các tỉ lệ pha loãng nước thải khác nhau 41

Hình 3.7 Đường cong sinh trưởng của Chlorella vulagaris B5ở các loại ánh sáng khác nhau 43

Hình 3.8 Đường cong sinh trưởng của tảo ở các mức cường độ ánh sáng 46

Hình 3.9 Nồng độ sinh khối khô của tảo ở các mức cường độ ánh sáng 47

Hình 3.10 Đường cong sinh trưởng của tảo B5 ở các nhiệt độ khác nhau 50

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, sự ra tăng của các sản phẩm nông nghiệp cùng với nhu cầu về thực phẩm ngày càng cao trong cuộc sống đã thức đẩy nghành chăn nuôi phát triển mạnh mẽ Theo số liệu của Tổng cục thống kê, đến năm 2011 cả nước

có hơn 20.000 trang trại chăn nuôi với số lượng gia súc, gia cầm dao động trong khoảng từ hàng trăm đến hàng nghìn con Hình thức chăn nuôi theo mô hình trang trại này ngày càng được phát triển rộng rãi và nhận được sự quan tâm của Nhà nước cũng như chính quyền địa phương Đây cũng là định hướng chiến lược phát triển của Chính phủ đến năm 2020 khuyến khích phát triển chăn nuôi theo hình

thức trang trại, công nghiệp [11] Hiện nay, nhiều địa phương đã có những chính

sách và định hướng phát triển loại hình kinh tế này nên chăn nuôi trang trại tiếp tục phát triển cả về số lượng cũng như quy mô

Tùy thuộc vào loại hình, qui mô chăn nuôi và nguồn thức ăn cung cấp mà nước thải của từng trang trại có những đặc trưng ô nhiễm riêng, tuy nhiên về cơ bản thì nước thải từ các cơ sở chăn nuôi có đặc tính chung là chứa hàm lượng chất hữu cơ cao do đó phù hợp để áp dụng công nghệ xử lý sinh học

Hiện nay để xử lý nước thải của ngành chăn nuôi, trên thế giới cũng như Việt Nam thường áp dụng các kỹ thuật truyền thống và ứng dụng các quá trình xử lý cơ học, lý, hóa, sinh học nhằm giữ lại các chất ô nhiễm hoặc chuyển chúng từ dạng độc sang dạng không độc hoặc ít độc và thải ra môi trường trong đó công nghệ sử dụng bể Biogas, UASB được sử dụng nhiều nhất Tuy nhiên những công nghệ này

có hiệu quả không cao, nước thải sau xử lý vẫn còn một hàm lượng các chất hữu

cơ cần được xử lý

Với nhiều ưu thế như sinh trưởng phát triển nhanh, năng suất sinh khối và hàm lượng lipid cao hơn các loài thực vật khác, dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh đất nông nghiệp và không cần nguồn nước sạch, thân thiện với môi trường… Vi tảo

(Microalgae) đang được nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam tập trung

nghiên cứu và đưa vào sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học và xử lý môi trường trên quy mô rộng rãi

Ở Việt Nam, Chính phủ đã quan tâm nhiều đến việc phát triển nhiên liệu sinh học và xử lý môi trường từ vi tảo Năm 2009, chương trình nghiên cứu quy trình công nghệ nuôi trồng và sản xuất vi tảo làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học đã được phê duyệt [12] Tuy nhiên, một thách thức đặt ra đối với sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo của nước ta là giá thành hiện tại vẫn còn rất cao so với nhiên liệu từ hóa thạch Do vậy, phương án để hạ giá thành nguyên liệu là nuôi tảo bằng nước thải giàu chất hữu cơ như nước thải chăn nuôi, giết mổ, chế biến thực phẩm, nước thải sinh hoạt là một trong những phương án tối ưu Với những ưu thế của mình, nước thải chăn nuôi được xem là một trong các môi trường thuận lợi nhất cho việc nuôi trồng vi tảo nhằm mục đích cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học và xử lý môi trường

Vi tảo là một loài sinh trưởng và phát triển chịu ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố ngoại cảnh như: pH môi trường, nồng độ dinh dưỡng, cường độ ánh sáng, loại ánh sáng, nhiệt độ và một số các yếu tố khác… Do đó nhằm sớm triển khai

áp dụng công nghệ nuôi trồng vi tảo trong môi trường nước thải chăn nuôi vào trong thực tế thì việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố nêu trên cần được tính đến

Để góp phần tìm kiếm giải pháp cho những vấn đề nêu trên thì Đề tài

“Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tăng trưởng sinh khối vi tảo và hiệu suất xử lý nước thải” được triển khai Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho các

nghiên cứu tiếp theo và một phần có thể áp dụng triển khai vào thực tế sản xuất thử nghiệm

Cụ thể đề tài tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như: nồng độ dinh dưỡng, cường độ ánh sáng, loại ánh sáng, nhiệt độ đến khả năng tăng trưởng sinh khối và hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi đã qua xử lý bể

UASB của vi tảo Chlorella vulgaris B5 trên quy mô phòng thí nghiệm

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

+ Đối tượng: Giống tảo Chlorella vulgaris B5 được cung cấp từ đề tài

nghiên cứu khoa học của TS Đoàn Thị Thái Yên, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

+ Phạm vi: Tập trung nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của 4 yếu tố môi

trường bao gồm: nồng độ dinh dưỡng, cường độ ánh sáng, loại ánh sáng, nhiệt độ đến khả năng tăng trưởng sinh khối và hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi đã qua

xử lý bằng bể UASB của vi tảo Chlorella vulgaris B5 từ đó đưa ra điều kiện tối ưu

nhất cho xử lý nước thải và nuôi trồng vi tảo

Các thí nghiệm được thực hiện ở quy mô bình tam giác 250ml trong điều kiện phòng thí nghiệm tạiViện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

* Phương pháp nghiên cứu:

- Khai thác và kế thừa kết quả của các nghiên cứu trong và ngoài nước

- Thực hiện các thí nghiệm khảo sát trong quy mô phòng thí nghiệm từ đó tổng hợp đưa ra điều kiện môi trường tối ưu cho sự tăng trưởng sinh khối và hiệu

quả xử lý nước thải của vi tảo Chlorella vulgaris

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG TẢO

CHLORELLA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1.1 Đặc điểm phân loại và đặc điểm sinh học tảo Chlorella

1.1.1 Đặc điểm phân loại

Vị trí phân loại của Chlorella được xác định như sau:

Hiện nay số lượng các loài trong chi là khoảng 76 loài trong cơ sở dữ liệu, có

29 loài đã chứng nhận về mặt phân loại Một số loài Chlorella nổi bật như:

Chlorella vulgaris, Chlorella kesleri, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella luteoviridis, Chlorella saccharophila, Chlorella protothecoides, Chlorella ellipsoidea, Chlorella mucosa, Chlorella homosphaera,….[9]

Hình 1.1 Hình ảnh Tảo Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi

1.1.2 Đặc điểm sinh học của Chlorella

* Phân bố:

Tảo lục phân bố chủ yếu ở các thủy vực nước ngọt, chỉ có khoảng 10% phân

bố ở các thủy vực nước lợ và mặn Chlorella phân bố ở khắp nơi trên thế giới và phát triển nhanh ở những thủy vực giàu dinh dưỡng và có ánh sáng mạnh[7]

* Hình thái:

Chlorella là loại tảo lục đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng di

động chủ động Tế bào thường có dạng hình cầu hoặc oval

Kích thước tế bào từ 3- 5µm, có thể từ 2 - 4 µm tùy loài, tùy điều kiện môi trường và giai đoạn phát triển nhưng không vượt quá 15 µm

Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ và thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và chất lượng của tế bào tảo[10]

* Cấu trúc tế bào:

Chlorella chỉ có một tế bào duy nhất, vì vậy cấu tạo và sinh lý của tảo mang đặc điểmcủa tế bào nói chung Chlorella hấp thụ CO2 và các chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài để sản xuất các chất có giá trị như: protein, lipid, glucid, vitamin,…

Nhờ có chất diệp lục Chlorella có thể tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết Chlorella không có cơ quan hô hấp độc lập, oxy cần thiết được thấm qua toàn bộ

bề mặt của màng vào trong tế bào

Mỗi tế bào Chlorella gồm nhân thật, hạt tinh bột, lục nạp và ti thể với vách tế bào chủ yếu là cellulose[9]

* Màng tế bào:

Màng tế bào có vách cellulose bao bọc tế bào chất (plasmalemma) có chiều

dày là 10-2 µm Tùy vào điều kiện tăng trưởng và trạng thái mà tế bào tảo có chiều dày khác nhau Ban đầu màng tế bào xuất hiện ở dạng peptit sau đó chuyển thành dạng xenluloza Màng mang chức năng bảo vệ và chống đỡ các điều kiện bên ngoài[9]

Trên bề mặt tế bào có những lỗ, tế bào trao đổi chất với môi trường bên ngoài thông qua các lỗ này Thành tế bào chiếm 13 – 15% trọng lượng khô của tế bào Trong đó lượng lipid chiếm 7,2% còn lại là protein và hydratcacbon Thành

tế bào Chlorella có hai thành phần từ chất cơ bản vô định hình và màng[9]

* Tế bào chất và những thành phần trong tế bào chất: [9]

Tế bào chất là thành phần chính của tế bào, đó là những chất nhầy trong suốt dạng hạt không màu và chứa đầy trong thành tế bào Các cơ quan khác như nhân, lạp lục, ti thể, riboxom,… đều nằm trong tế bào chất

Nước trong tế bào chất chiếm 50%, thành phần chính của tế bào chất chiếm 2/3 trọng lượng khô.Ngoài ra còn có các chất hữu cơ khác như: lipid, hydratcacbon, vitamin và một số chất vô cơ

Cấu trúc của tế bào chất ổn định, ít có sự biến đổi do tác động bên ngoài Tế bào chất có khả năng hấp thụ các chất khác nhau từ môi trường xung quanh thông qua màng tế bào

* Lục lạp:

Lục lạp chính là cơ quan chuyên hóa thực hiện quá trình quang hợp

Chlorella chứa lục lạp có sắc tố màu lục

Thể màu ở dạng vòng đai, cầu, bản, hình chén, máng lợn ăn hay hình lưới, có hạt tạo bột đôi khi một số loài không có Lục lạp được bao ngoài bởi lớp màng mỏng kép, bên trong chứa dịch protein hay còn gọi là chất nền Màng lục lạp dày

100 – 150 Amstrong và có hai lớp

Lạp lục là nơi duy nhất trong tế bào tảo Chlorella chứa chất diệp lục Chúng

phân chia bằng cách phân đôi

* Nhân:

Tế bào tảo Chlorella chỉ chứa một nhân và có đường kính từ 1 ÷ 3µm

Cấu trúc của nhân gồm: màng, dịch nhân, hạch nhân và mạng lưới chất nhiễm sắc Màng nhân gồm có hai lớp màng và những lỗ Chiều dày màng nhân

tảo Chlorellatừ 300 – 400 Amstrong

vỏ cũ mở ra và phóng thích tế bào con Các tế bào con sẽ lớn lên tới mức nào đó rồi quay lại chu kỳ như lúc ban đầu Quá trình sinh sản của tảo được thể hiện cụ thể qua hình sau:

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình sinh sản của tảo

Sự phân bào diễn ra nhanh chóng nếu đầy đủ dinh dưỡng và điều kiện cần thiết, sau 20h – 24h tế bào tảo sẽ phân chia thành bốn tế bào con làm cho nước có màu lục

Tảo Chlorella

con

Tảo Chlorella trưởng thành

Tảo Chlorella đã phân chia

Tảo Chlorella đang

phân chia

1.1.4 Các giai đoạn phát triển của tảo [7]

Với chế độ dinh dưỡng thích hợp và điều kiện lý, hóa học thuận lợi thì quá trình sinh trưởng của tảo sẽ trải qua 5 pha phát triển như sau:

- Pha gia tốc dương: Trong giai đoạn này vi tảo bắt đầu có sự tiếp xúc và

dần thích nghi với môi trường sống Cơ thể tiến hành hấp thu các chất dinh dưỡng

và phân cắt tế bào Ở môi trường thuận lợi và có dinh dưỡng phong phú thì quần thể có tốc độ sinh trưởng nhanh Tuy nhiên do số lượng tảo giống ban đầu ít nên

sự sinh trưởng của quần thể tảo trong giai đoạn này diễn ra chậm

- Pha logarit: Sau pha gia tốc dương, quần thể vi tảo đã đạt đến một mật độ

nhất định, môi trường dinh dưỡng còn thuận lợi, vi tảo đẩy mạnh quá trình hấp thu dưỡng chất và đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng Mật độ và sinh khối tảo ở giai đoạn này tăng lên với tốc độ nhanh nhất

- Pha gia tốc âm: Trong môi trường bắt đầu xuất hiện các yếu tố bất lợi cho

tảo phát triển như yếu tố dinh dưỡng và sự gia tăng các chất kìm hãm nên tốc độ sinh trưởng của tảo diễn ra chậm hơn nhiều so với pha logarit

- Pha cân bằng: Trong pha này số lượng vi tảo sinh ra và chết đi gần bằng

nhau do đó sự cân bằng được tạo ra

- Pha suy tàn: Số lượng vi tảo giảm đi một cách rõ rệt do khả năng sinh sản

của tảo mất dần sau khi đạt giá trị cực đại

Hình 1.3 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo

1.1.5.Thành phần dinh dưỡng của vi tảo

Thành phần dinh dưỡng của các loài vi tảo khác nhau có sự khác biệt rõ rệt

và trong cùng một loài cũng có sự khác nhau [3] Thành phần dinh dưỡng còn phụ thuộc vào tốc độ sử dụng dinh dưỡng của tảo trong quá trình phát triển.Tảo có thể phát triển tốt trong điều kiện môi trường nước có đầy đủ lượng nitơ và photphat Thành phần hóa học của các loại tảo lục phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của nitơ trong môi trường Khi lượng nitơ có trong môi trường thấp thì hàm lượng

protein của Chlorella vulgaris giảm xuống rõ rệt trong khi lượng cacbohydrat và

lipit lại tăng lên

Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris được trình bày trong

Tế bào Chlorella vulgaris rất giàu protein, vitamin và các khoáng chất, các

protein của loại tảo này chứa tất cả các amino acid cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của người và động vật

Ngoài ra trong thành phần của Chlorella vulgaris còn có nhiều loại vitamin

như: vitamin C, tiền vitamin A (β-Caroten), riboflavin (B2), pyridoxine (B6), niacin (vitamin PP), axit phanthothenic (vitamin B3), vitamin B12, Các

nguyên tố khoáng ở Chlorella vulgaris gồm có: photpho, canxi, kẽm, iod, magie,

Giống tảo Chlorella vulgaris phát triển bình thường ở giá trị pH thích hợp từ

6 – 8,5 Trong đó, tảo cho sinh khối lớn nhất tải khoảng pH từ 5,5 đến 7,0 còn tại

pH 11,5 gần như tảo không phát triểnđược, tại pH = 3,0 thì tảo vẫn có thể tồn tại nhưng bị kìm hãm mọi hoạt động[13]

b Dinh dưỡng

Dinh dưỡng cho tảo bao gồm: Các chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết là Cacbon, Nito, phospho và các nguyên tố vi lượng được coi là không thể thay thế đối với sinh trưởng và phát triển của tảo như: Fe, Mn, Cu, Zn và Cl Đây là yếu tố quan trọng nhất, có tính chất quyết định đến sự sinh trưởng, phát triển của vi tảo

cả về số lượng và chất lượng

+ Nguồn dinh dưỡng cacbon:

Tất cả những loài tảo quang tự dưỡng đều sử dụng CO2 hoặc một trong những dạng hydratcacbon để tổng hợp chất hữu cơ của mình

Đối với vi tảo ngoài nguồn cacbon đồng hóa thông qua quá trình tự dưỡng là

CO2và HCO3-, tảo Chlorella còn có khả năng sử dụng các nguồn cacbon hữu cơ

khác như: glucose, fructose, galactose, fumarat, malat, ethanol, butyrat, acid acetic… Trong đó acid acetic vừa là nguồn cacbon vừa là yếu tố điều chỉnh pH

của môi trường nuôi

+ Nguồn dinh dưỡng Nitơ:

Dinh dưỡng nitơ là thành phần quan trọng của các hợp chất hữu cơ trong cơ thể quang tự dưỡng nói chung và trong quá trình quang hợp nói riêng Nitơ là thành phần cơ bản tạo nên các loại protein cấu trúc, tham gia vào cấu tạo của nhiều vitamin B1, B6, B12, PP và là thành phần của hệ enzyme xúc tác nhiều phản ứng quan trọng của cơ thể

Các hợp chất nitơ mà tảo Chlorella sử dụng là muối ammonium, nitrate và

urea trong đó ammonium cho kết quả tốt nhất[21]

Ở Chlorella, người ta thấy nếu thiếu hoàn toàn nguồn dinh dưỡng nitơ dài ngày trong môi trường sống sẽ không làm Chlorella vulgaris chết mà khi đó tế bào Chlorella vulgaris sẽ chuyển sang dạng sống tiềm sinh Các quá trình sinh

trưởng, phân chia tế bào, quang hợp, hô hấp và sinh tổng hợp các sắc tố quang hợp sẽ được phục hồi lại nếu được cung cấp đủ lượng nitơ cần thiết Tuy nhiên, trong điều kiện thiếu nitơ có thể quan sát thấy sự thay đổi màu sắc của tảo từ màu xanh thành các màu khác như: bạch tạng, đỏ, da cam [1]

+ Nguồn dinh dưỡng phospho:

Phospho là một trong những nguồn dinh dưỡng chính cần thiết cho sự sinh

trưởng và phát triển của tảo Chlorella vulgaris Phần lớn những quá trình của tế

bào mà đặc biệt là những quá trình liên quan đến sự chuyển hóa năng lượng và tổng hợp acid nucleic, phospho đều giữ một vai trò quan trọng[8]

Dạng phospho chính mà tế bào tảo Chlorella vulgaris sử dụng là dạng

phospho vô cơ H2PO4- và HPO42-

Nồng độ phospho khác nhau trong môi trường nuôi ảnh hưởng không rõ rệt đến sinh trưởng của tảo nhưng có ảnh hưởng tới quá trình quang hợp và hình thái của tảo Tuy nhiên, nếu thiếu phospho trong môi trường nuôi sẽ làm giảm quá trình sinh trưởng, phân chia tế bào, làm hình thái và kích thước tế bào tảo thay đổi[1]

c Nhiệt độ

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo là nhiệt độ Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất mà còn ảnh hưởng tới tốc độ vận chuyển và đặc tính sinh khối của tảo

Dải nhiệt độ tối ưu của Chlorella trong khoảng từ 25o

C-35oC , nhưng theo một số nghiên cứu cho rằng nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng của tảo tuân theo định luật Vanhofl-Arenius trong giới hạn từ 10oC-40oC [15]

Đối vớiChlorella vulgaris thì nhiệt độ thích hợp nhất chosinh trưởng và phát

triển nằm trong khoảng 25 – 300C, đặc biệt tảo Chlorella vulgaris có thể chịu

đựng nhiệt độ cao đến 370C[28]

d Khuấy sục môi trường nuôi

Năng suất của tảo phụ thuộc nhiều vào điều kiện khuấy sục của môi trường nuôi Một số nhận xét về sự khuấy sục môi trường cho thấy, ở chế độ khuấy sục môi trường thì năng suất sinh khối tảo thu được cao hơn 30% so với ở chế độ không khuấy sục

Nhờ có khuấy sục môi trường mà các chất dinh dưỡng được phân bố đều trong môi trường, tránh được cường độ ánh sáng quá mạnh đồng thời tăng hiệu suất sử dụng ánh sáng của tế bào tảo do khả năng tiếp nhận ánh sáng của tảo ở lớp sâu sẽ được xáo trộn lên lớp trên, phòng ngừa điều kiện yếm khí

Tuy nhiên nếu cường độ xáo trộn quá mạnh sẽ làm giảm khả năng hấp thu ánh sáng của tảo, giảm sự tăng trưởng của tảo do xảy ra sự va đập quá mạnh[5]

e Ánh sáng

Ánh sáng là yếu tố môi trường quan trọng đối với sự phát triển của tảo, là nguồn năng lượng chính cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ carbondioxide của tảo

Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng của tảo được thể hiện ở chất lượng ánh sáng (phổ màu), cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng[4] Khi tảo sinh trưởng trong điều kiện nhiệt độ và cơ chất ổn định thì tốc độ sinh trưởng chỉ phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng

Đối với tảo Chlorella vulgaris thời gian chiếu sáng càng cao thì tốc độ sinh

trưởng càng cao, tốc độ quang hợp của tảo tỉ lệ với sự tăng cường độ ánh sáng nằm trong khoảng 1.300lux – 1.900lux [17] Nếu cường độ ánh sáng trong khoảng tối ưu sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho tảo sinh trưởng và phân chia tế bào Cường

độ ánh sáng cao hơn mức cho phép sẽ làm ức chế quá trình phân chia của tảo Ngoài ra mức độ chiếu sáng phụ thuộc vào mật độ của tảo nuôi[19]

Cường độ ánh sáng trong từng giai đoạn phát triển của tảo có thể biến thiên

từ 500 lux đến 10000 lux [25] Nếu là ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu sáng

là 12-12h hoặc 12-14 h/ ngày

f Các yếu tố sinh học

Các yếu tố sinh học như vi khuẩn, nguyên sinh động vật….rất khó khắc phục đối với việc nuôi cấy vi tảo trong các hệ nuôi ngoài trời quy mô lớn Các nguồn gây ô nhiễm phổ biến gồm có môi trường nước, chất dinh dưỡng, bình nuôi và môi trường không khí… Tảo bị nhiễm tạp sẽ bị ức chế về nhiều mặt trong quá trình phát triển dẫn đến sinh khối đạt không cao và chất lượng tảo giảm Những tác hại chính của sự tạp nhiễm là sự cạnh tranh về dinh dưỡng, ánh sáng, CO2…

Do đó phải lựa chọn giống tảo khỏe, có khả năng thích nghi tốt với thời tiết và điều kiện nuôi, có khả năng cạnh tranh cao đối với các loài tạp nhiễm

1.2.Ứng dụng của tảo Chlorella trong xử lý nước thải chăn nuôi

1.2.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi lợn chủ yếu phát sinh từ công đoạn tắm cho lợn và rửa chuồng, vì vậy mà thành phần của nước thải chủ yếu là phân và nước tiểu Đó là

lý do mà hàm lượng các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh trong nước thải cao có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý triệt để

Trong nước thải chăn nuôi, các hợp chất hữu cơ chiếm 70÷80% gồm cenllulose, protit, axit amin, chất béo, hydrat cacbon và các dẫn xuất của chúng Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất vô cơ chiếm 20÷30% gồm cát, đất, muối, urê, amonium, muối chlorua, SO42-, …Ngoài ra trong nước thải

chăn nuôi heo còn chứa hàm lượng N và P rất cao do khả năng hấp thụ của gia súc đối với các chất này rất kém Bên cạnh đó thì nước thải chăn nuôi cũng chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh[14]

Theo kết quả khảo sát chất lượng nước thải tại các trang trại của o c o

t ng t tài hoa H c C ng Ngh - hảo s t nh gi c c loại m h nh h sinh h c qui m v a c a ộ N ng Nghi p và Ph t Tri n N ng Th n, Viện Khoa

học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội ta thấy: đặc tính hóa học và sinh học cơ bản của nước thải chăn nuôi, chất lượng nước thải đầu

ra là quá cao vượt mức cho phép nhiều lần Đây là kết quả điều tra, đánh giá tình hình xử lý nước thải tại 21 cơ sở chăn nuôi lợn tập trung tại một số tỉnh đồng bằng sông Hồng, Nam Trung Bộ, miền Đông Nam Bộ Kết quả các chỉ tiêu trong nước thải chăn nuôi được thể hiện qua bảng sau:

Bảng 1.2 Tính chất nước thải chăn nuôi gia súc[2]

Như vậy có thể nhận thấy đặc trưng cơ bản của nước thải từ các trang trại chăn nuôi là có nhiều chất ô nhiễm hữu cơ, hàm lượng dinh dưỡng cao (hàm lượng nitơ, phospho rất lớn) do đó nếu thải trực tiếp vào môi trường sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng cho nguồn tiếp nhận, ngoài ra chúng chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh Hiện nay, nước thải chăn nuôi lợn chủ yếu được xử lý bằng một số phương pháp thông thường bể Biogas, UASB… sau quá trình xử lý này các thành phần

gây ô nhiễm môi trường vẫn còn ở mức cao (ch y u là hàm lượng c c chất hữu cơ)[27], do đó việc tiếp tục xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi

trường là rất cần thiết

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam việc ứng dụng các phương pháp sinh học

để xử lý nước thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn thải ra môi trường đã được nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua Sau hệ thống xử lý Biogas, UASB… nước thải chăn nuôi sẽ được tiếp tục xử lý bằng các công trình xử lý sinh học bể Aerotank, bể lọc sinh học nhỏ giọt, mương oxy hóa…để loại bỏ các

hàm lượng chất hữu cơ (N, P) còn lại trong nước thải

Một số sơ đồ dây truyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi đang được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam được thể hiện qua hình 1.3sau:

Hình 1.4.Một số hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Qua hình trên ta thấy các phương pháp trên đều có đặc tính chung là xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên và hiệu quả xử lý tương đối cao, nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn môi trường Tuy nhiên,đặc điểm của nước thải chăn nuôi có hàm lượng chất hữu cơ cao là môi trường sống thích hợp với nhiều loài thủy sinh trong đó có

các loại tảo Chlorella

Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng ứng dụng Chlorellavào xử lý nước thải

đang là một trong những hướng xử lý rất có triển vọng, chúngkhông chỉ là loài thủy sinh có khả năng xử lý nước thải rất hiệu quả, các thiết bị nuôi đơn giản, chi phí vận

hành thấp, đặc biệt Chlorellacòn có ứng dụng rất lớn trong thực tiễn như làm thức

ăn giàu dinh dưỡng cho nuôi trồng thủy sản (tôm, cá), thức ăn cho động vật, làm

nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học…

1.2.2 Ứng dụng của vi tảo trong xử lý nước thải

Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm khoảng 2/3 Vai trò quan trọng của vi tảo thể hiện qua quá trình quang hợp hấp thụ CO2, cung cấp O2 cho các sinh vật khác trên trái đất, khép kín vòng tuần hoàn vật chất và làm tăng tốc độ quay vòng của các chu trình đó Nguồn cung cấp CO2 có thể do vi sinh vật hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạo thành để cung cấp cho tảo hoặc sử dụng trực tiếp từ không khí

Cho đến nay, việc ứng dụng vi tảo (Microalgae) vào xử lý nước thải giàu

nitơ và phospho đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu Cơ

sở sinh học cho việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựa vào đặc tính sinh trưởng tự nhiên, tảo sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nitơ, phospho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí O2 ra ngoài môi trường nuôi, dẫn đến màu nước tốt, giàu ôxy Tảo lúc này giữ vai trò như nhà máy lọc sinh học tự nhiên khổng lồ, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm sau cùng của quá trình phân huỷ hữu cơ, khí độc hại,… chuyển hoá chúng sang dạng ít độc hại hoặc phân giải, phân huỷ chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại Hầu hết các loại nước thải đô thị, nông nghiệp, phân gia súc đều có thể được xử lý bằng vi tảo Những loài tảo nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý

nước thải chủ yếu thuộc các chi Brown algae, Chlorella, Spirulina…

Từ nhiều năm qua, đã có nhiều nghiên cứu về việc ứng dụng của các loài tảo trong xử lý nước ô nhiễm Trên thế giới, nghiên cứu của Luz

EstelaGozález[23] đã phát hiện ra tảo Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphus hấp thu 95% NH4+ và 50% TP trong nước thải Nghiên cứu của Sirance Sreesai và Preeda Pakpain[26] đã nghiên cứu khả năng loại bỏ dinh

dưỡng ra khỏi nước thải của Tảo Chlorella Vulgaris là 88% TKN và 68% TP

Gần đây nhất, nghiên cứu của Yecong Li, Yi-Feng Chen , Paul Chen, …[29],khả

năng xử lý nước thải đô thị của tảo Chlorella vulgaris là rất tốt, hiệu suất xử lý

COD đạt 90,8%, P tổng là 80,9%, N tổng 89,1%, NH4+ là 93,9% Tại Việt Nam, năm 2011 nghiên cứu của Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã

chứng minh tảo Tetraselmis sp Có khả năng làm sạch nước thải nuôi tôm

sú…[6]

Như vậy, với những kết quả nghiên cứu ở trên ta có thể thấy hiệu quả xử lý

nước thải của các loài tảo nói chung và tảo Chlorella nói riêng là tương đối cao

Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng nuôi trồng tảo Chlorella vulgaris trong nước

thải chăn nuôi để thu sinh khối và xử lý nước thải là hoàn toàn mang tính khả thi

và có ý nghĩa thực tiễn cao

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Hóa chất, thiết bị thí nghiệm và nước thải

- Bộ đèn chiếu sáng: Bộ đèn chiếu ánh sáng trắng, ánh sáng đỏ, ánh sáng xanh Các bộ đèn này được lắp ghép với số lượng bóng đèn khác nhau để có thể điều chỉnh được cường độ ánh sáng trong quá trình nghiên cứu

- Ngoài ra còn sử dụng một số các thiết bị khác phục vụ cho quá trình phân tích và nghiên cứu như: Máy đo cường độ ánh sáng, nhiệt kế đo nhiệt độ, máy đo

pH, máy đo quang phổ UV-vis, tủ vô trùng, và một số các thiết bị khác dùng để xác định các chỉ tiêu môi trường

* Nước thải chăn nuôi lợn:

Mẫu nước thải chăn nuôi lợn phục vụ cho quá trình nghiên cứu được lấy ở trang trại chăn nuôi lợn tại xã Cổ Đông, Sơn Tây, Hà Nội

Vị trí lấy mẫu nước thải là tại hố gom sau bể UASB – bể xử lý sinh học yếm khí Nước thải được lấy thủ công vào can nhựa 20 lít, không thêm hóa chất bảo quản và được vận chuyển ngay về phòng thí nghiệm, sau đó tiến hành phân tích ngay các thông số đầu vào: pH, COD, Tổng Nitơ, Tổng Phốt pho trước khi tiến hành pha loãng làm thí nghiệm

2.2 Chuẩn bị giống tảo sạch làm thí nghiệm

Giống tảo dùng trong thí nghiệm là Chlorella vulgaris B5 được nhân giống

và nuôi trong các bình tam giác 250ml và 500ml

Bình tam giác được rửa sạch và được khử trùng bằng máy HV50 ở 1210

C trong vòng 20 phút

Quá trình nhân giống được thực hiện trong tủ vô trùng để tránh bị tạp nhiễm

Đi u i n giữ giống: Các bình tam giác được đặt trong nhiệt độ phòng và

được chiếu sáng nhân tạo bằng hệ thống hai đèn huỳnh quang ánh sáng trắng công suất 40W phía trên và dàn đèn huỳnh quang nhỏ công suất 8W đặt dọc theo dãy bình thí nghiệm

Chu kỳ chiếu sáng là 12h:12h, sáng:tối cho cường độ sáng tại bề mặt dung dịch vi tảo khoảng 2500lux

Nuôi cấy vi tảo ở điều kiện tĩnh nhưng được lắc bằng tay 3 lần/ ngày để đảm bảo trạng thái lơ lửng của các tế bào, giúp các tế bào đều nhận được ánh sáng

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm nhân giống tảo 2.3 Phương pháp xác định sinh khối tảo

- Phương ph p m số lượng t bào:Xác định sự sinh trưởng của tảo bằng

buồng đếm hồng cầu Neubauer cải tiến (Improved Neubauer, Đức)

- Phương ph p x c ịnh nồng ộ sinh hối h :

Lấy 50ml tảo trong bình vào các ống falcon sau đó tiến hành ly tâm trong

10 phút với tốc độ 7000 vòng/phút Gạn bỏ phần nước trong phía trên, thêm 15ml nước cất vào ống ly tâm lắc đều cho tảo tan ra và đổ vào ống falcon 15ml (ống falcon 15ml đã được sấy khô đến khối lượng không đổi, cân xác định khối lượng trước) Ly tâm ống Falcon 15ml trong máy ly tâm ở tốc độ 5600 vòng/phút trong 5 phút Gạn bỏ phần nước trong phía trên Sấy ống ở nhiệt độ 800

C trong 1 ngày, cân ống sau khi để nguội trong bình hút ẩm

Nồng độ sinh khối được xác định như sau:

Trong đó: m1, m2: là khối lượng ống trước và sau khi thu sinh khối

50: thể tích tảo dùng để thu sinh khối (ml)

Từ đó xác định được năng suất sinh khối:

với: C1, C2: tương ứng là nồng độ sinh khối của ngày đầu và cuối pha log

t1, t2 : tương ứng là ngày đầu và cuối pha log

2.4 Phương pháp xác định các chỉ tiêu môi trường nghiên cứu

* Nhu cầu oxy hóa học (COD):

- COD được phân tích theo phương pháp đun hồi lưu mẫu thử với lượng kalidicromat đã biết trước khi có mặt thuỷ ngân (II) sunfat và xúc tác bạc trong axit sunfuric đặc trong khoảng thời gian nhất định

- C ch ti n hành:

+ Chuyển 2,0 ml vào bình phản ứng chịu nhiệt 10ml có nắp vặn, thêm 1,00 ml dung dịch kali dicromat 0,25N, rồi cho thêm từ từ 3 ml dung dịch axit sunfuric chứa bạc sunfat và nhanh chóng vặn chặt nắp ống phản ứng, lắc đều

+ Đun hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ 1480C ± 30C trong 120 phút

+ Làm nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phòng Chuyển hỗn hợp phản ứng vào bình tam giác đã tráng kỹ bằng nước cất

+ Chuẩn độ lượng dư dicromat bằng sắt (II) amoni sunfat (FAS) 0,025

N và sử dụng 1 giọt chỉ thị feroin cho đến khi đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang màu nâu đỏ

- Nhu cầu oxy hoá học COD, tính bằng miligam oxy trên lít, được tính theo công thức sau:

K V

N V V COD