NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPs TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI

Vi tảo trong xử lý nướcthải đang được ứng dụng nhiều do nó sử dụng hệ sắc tố quang hợp để lấynăng lượng ánh sáng, đồng thời sử dụng nguồn dinh dưỡng từ nước thải đểtổng hợp

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPs TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI”

Người thực hiện  : NGUYỄN THỊ MAI

Giáo viên hướng dẫn :TS TRỊNH QUANG HUY

Hà Nội – 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPs TRONG XỬ LÝ NÝỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI”

Người thực hiện  : NGUYỄN THỊ MAI

Giáo viên hướng dẫn : TS TRỊNH QUANG HUY

Địa điểm thực tập : BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2016

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Đỗ Thủy Nguyên, cô ThS Nguyễn Thị Thu Hà, giảng viên bộ môn Công nghệ môi trường-khoa Môi trường, thầy cô đã chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn toàn thể các quý thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực tập tại bộ môn.

Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của anh Trần Minh Hoàng, bạn Mai Đức Trung, bạn Nguyễn Xuân Quỳnh và các bạn thực tập tốt nghiệp cùng bộ môn trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu.

Cuối cùng tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình và bạn

bè đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện khóa luận này.

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2016.

Sinh viên

Nguyễn Thị Mai

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris 3

1.1.1 Đặc tính sinh học của tảo Chlorella vulgaris 3

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của Chlorella 6

1.2 Ứng dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải 10

1.3 Ứng dụng của công nghệ HRAPs trong xử lý nước thải 15

1.4 Các yếu tố vận hành trong hệ thống HRAPs 18

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2 Phạm vi nghiên cứu 23

2.3 Nội dung nghiên cứu 23

2.4 Phương pháp nghiên cứu 23

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Đánh giá khả năng sinh trưởng của tảo và hiệu quả xử lý của bể HRAPs khi sử dụng ánh sáng tự nhiên 28

3.1.1 Tính chất nước thải sử dụng trong nghiên cứu 28

3.1.2 Quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo trong điều kiện ánh sáng

tự nhiên 30

3.1.3 Diễn biến của các thông số môi trường 34

3.1.4 Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng N, P của bể HRAPs trong điều kiện ánh sáng tự nhiên 41

3.2 Đánh giá khả năng sinh trưởng của tảo và hiệu quả xử lý của bể HRAPs khi sử dụng ánh sáng nhân tạo 44

3.2.1 Tính chất nước thải sử dụng trong nghiên cứu 44

3.2.2. Quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo trong điều kiện ánh sáng nhân tạo 45

3.2.3 Sự biến động của các thông số môi trường trong thí nghiệm 47

3.2.3 Đánh giá hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng của bể HRAPs 51

3.3 So hiệu quả của hệ thống HRAPs trong 2 thí nghiệm với ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo 54

3.3.2.Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng N, P của tảo trong 2 công thức thí nghiệm 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

1 Kết luận 56

2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ANOVA : Phân tích phương sai

BOD : Nhu cầu Oxy sinh học

BTNMT : Bộ tài nguyên môi trường

COD : Nhu cầu Oxy hóa học

HRAPs : Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (High

rate algal ponds)

NO3- : Nitrat

PO43- : Photphat

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

RO : công nghệ lọc thẩm thấu ngược

TCCP : Tiêu chuẩn cho phép

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của Chlorella (% trọng lượng khô) 4

Bảng 3.1 : Tính chất nước thải đầu vào của thí nghiệm 28Bảng 3.2 Giá trị trung bình của mật độ tảo và Chlorophyll-a trong thời

gian thí nghiệm 30Bảng 3.3 Giá trị trung bình các thông số môi trường trong thời gian

nghiên cứu 34Bảng 3.4 Giá trị trung bình các thông số môi trường trong thời gian

nghiên cứu 36Bảng 3.5 Diễn biến các thông số COD, NH4+, NO3-, PO43- theo thời gian

thí nghiệm 41Bảng 3.6 Hiệu suất loại bỏ TN, TP trong thời gian thí nghiệm 43Bảng 3.7 : Tính chất nước thải đầu vào của thí nghiệm 44Bảng 3.8 Diễn biến về mật độ tảo và nồng độ Chlorophyll - a theo thời

gian thí nghiệm 45Bảng 3.9 Giá trị trung bình trong ngày và sự thay đổi các thông số nhiệt

độ, pH, DO trong thời gian thí nghiệm 47Bảng 3.10 Diễn biến thông số COD, NH4+ , PO43- trong thời gian thí nghiệm 51Bảng 3.11 Hiệu suất loại bỏ TN, TP trong thời gian thí nghiệm 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.2 Mô hình hệ thống HRAPs trong thực tế 17

Hình 1.3 Sơ đồ của một hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao 20

Hình 1.4 Sơ đồ mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ thống HRAPs và bể lắng của nó 21

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm hệ thống HRAPs với ánh sáng tự nhiên 24

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm hệ thống HRAPs với ánh sáng nhân tạo 25

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa vi sinh vật và tảo trong nước thải 29

Hình 3.2 : Diễn biến mật độ tảo và hàm lượng Chlorophyll-a trong thời gian thí nghiệm 32

Hình 3.3 Diễn biến thông số EC và Eh theo thời gian thí nghiệm 35

Hình 3.4 Diễn biến thông số pH và DO trong thời gian thí nghiệm 38

Hình 3.5: Diễn biến cường độ ánh sáng trong thời gian nghiên cứu 39

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa DO và cường độ ánh sáng 40

Hình 3.7 Diễn biến các thông số dinh dưỡng trong thời gian thí nghiệm 42

Hình 3.8  Diễn biến mật độ tảo và hàm lượng Chlorophyll-a trong thời gian thí nghiệm 46

Hình 3.9 Diễn biến thông số DO và pH trong thời gian thí nghiệm 49

Hình 3.10 Diễn biến thông số EC và Eh trong thời gian thí nghiệm 50

Hình 3.11 Diễn biến các thông số COD, NH4+, PO43-, NO3- trong thời gian theo dõi thí nghiệm 53

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước thải sinh hoạt thường chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng

vô cơ và hữu cơ Nước thải được thải ra môi trường không qua xử lý, xử lýkhông đúng quy cách và tích tụ lâu ngày trong các thủy vực tiếp nhận sẽ làmột gánh nặng to lớn với môi trường Để đảm bảo nước thải đầu ra phù hợpvới quy chuẩn môi trường cần phải có các biện pháp xử lí phù hợp

Nước thải sinh hoạt hiện nay được xử lý bằng hệ thống bể tự hoại Ưuđiểm của bể là giúp loại bỏ được phần lớn chất hữu cơ, tuy nhiên hàm lượngdinh dưỡng N, P thường tăng lên rất cao do quá trình phân hủy Để xử lý N,

P giải pháp công nghệ sinh học thường được sử dụng Vi tảo trong xử lý nướcthải đang được ứng dụng nhiều do nó sử dụng hệ sắc tố quang hợp để lấynăng lượng ánh sáng, đồng thời sử dụng nguồn dinh dưỡng từ nước thải đểtổng hợp sinh khối Liang Wang và cộng sự (2009) đã nghiên cứu sử dụng tảo

Chlorella xử lý nước thải sinh hoạt, TN và TP giảm được trong nghiên cứu

lần lượt là 76% và 65%, Liandong Zhu và cộng sự (2013) cũng nghiên cứuvới nước thải chăn nuôi cho thấy giá trị này lần lượt là 76% và 65%

Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) đã được sử dụng từ lâutrong lĩnh vực thực phẩm và thức ăn chăn nuôi và sản xuất nhiên liệu sinhhọc Gần đây tại một số nước phát triển, công nghệ này đã và đang được sửdụng cho mục đích xử lý nước thải Nguyên lý của công nghệ dựa vào việckéo dài pha quang hợp và rút ngắn pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăngsinh khối Hệ thống HRAPs thường được thiết kế theo dạng đường đua (raceway): đường đua là kênh chứa nước thải có độ sâu tối đa 80 cm, chiều rộngkênh tối thiểu là 120 cm, chiều dài được tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượngnước thải (m3/ngày) và thời gian lưu nước Nước thải đi qua hệ thống sẽ đượcđảo trộn đều bởi máy khuấy Hệ thống khuấy giúp cho sự phân bố của tảo đều

trên toàn bộ mặt kênh Nhiều loài tảo đã được nghiên cứu nhằm mục đích này

như: Chlorella (Gonzale và cs., 1997), Scenedesmus (Martinez và cs., 1999), Spirulina (Olguin và cs., 2003).Với nguồn sinh khối tảo thu được từ hệ thống,

tảo có thể sử dụng làm thức ăn thuỷ sản, phân bón và nhiên liệu sinh học Bêncạnh đó, việc hấp thu CO2 giúp giảm thiểu các tác động tới biến đổi khí hậutạo ra một chuỗi chăn nuôi phát thải cacbon thấp, phù hợp với mục tiêu chiếnlược của ngành nông nghiệp Việt Nam.Tuy vậy, các nghiên cứu về ứng dụngHRAPs trong xử lý nước thải phù hợp với điều kiện tại Việt Nam còn rất hạnchế

Việc phát triển công nghệ xử lý đưa vào thực tiễn cần phải tiến hànhcác thí nghiệm trong phòng để khống chế các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình

xử lý Trong công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao, các yếu tố ảnh hưởng như ánhsáng, nhiệt độ, hàm lượng CO2 hoà tan trong nước, và dinh dưỡng (N vàP).Đã có những nghiên cứu kiểm soát các yếu tố này để hệ thống đạt hiệu quả

xử lý tốt nhất Tuy nhiên, từ những nghiên cứu với quy mô phòng thí nghiệmtới phát triển công nghệ xử lý đưa vào thực tiễn cần được kiểm nghiệm

Xuất phát từ thực tiễn đó tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

hiệu quả của hệ thống HRAPs trong xử lý nước thải sau bể tự hoại”.Nghiên cứu nhằm đóng góp thêm giải pháp công nghệ trong lĩnh vực

xử lý nước thải chi phí thấp góp phần bảo vệ môi trường và pháp triển bềnvững

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá hiệu quả của hệ thống HRAPs xử lý nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại trong điều kiện thực nghiệm; đưa ra và khắc phục các yếu tố hạn chế đến hiệu suất của hệ thống

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris

1.1.1 Đặc tính sinh học của tảo Chlorella vulgaris

a Đặc điểm phân loại

Giống: Chlorella (Bold and Wynne, 1978)

Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta.Chlorella có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp Chlorophyll -a và Chlorophyll -b trong lục lạp Vì vậy Chlorella có khả năng quang hợp, lấy

Carbon Dioxid, nước và lượng nhỏ chất khoáng, biến đổi năng lượng ánh sángmặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để nó sinh trưởng và phát triển nhanhchóng

b Hình thái, cấu tạo

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

động chủ động Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình ovan Kích cỡ tế bào từ 2– 5 µm tùy loài Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng chịuđược những tác động cơ học nhẹ Sự thay đổi của các điều kiện môi trườngnhư ánh sáng, nhiệt độ, thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnhhưởng đến hình thái và chất lượng của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ, 1995)

Hình 1.1 Tảo Chlorella

Các nhà nghiên cứu đã xác minh trong Chlorella vulgaris có chứa rất

nhiều chất dinh dưỡng Thành phần hóa học của tảo Chlorella tùy thuộc theo

tốc độ sử dụng môi trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển (Bảng 1.1)

Tế bào Chlorella có chứa 23 amino acid trong đó có các amio acid

không thay thế như lysine, methionine, tryptophan, arginic, leucine…

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của Chlorella (% trọng lượng khô)

Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn trong những điều kiện sống

tối ưu như nhiều ánh sáng, nước trong, không khí sạch Quá trình sinh sản nóichung được trải qua các bước: Sinh trưởng - trưởng thành - thành thục - phân

chia (Trần Đình Toại và Châu Văn Minh,2005).Tảo Chlorella sinh sản rất

nhanh, trong ba giờ có khả năng tăng gấp đôi mật độ và không có sự sinh sảnhữu tính Quá trình sinh sản được tiến hành nhờ tạo nên trong cơ thể mẹ cáctự bào tử Tùy theo loài tảo và điều kiện môi trường mà số lượng các tự bào

tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trường hợp tạo ra 64 tự bào tử) Saukhi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách xé màng tếbào mẹ, ra môi trường dinh dưỡng trở thành những tế bào con có khả nănghấp phụ chất dinh dưỡng mạnh, quang hợp và sinh trưởng tăng Những tế bàocon mới hình thành sẽ hoàn thành vòng phát triển sau 4-6 tiếng đến giai đoạnchín, có khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995)

d Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo

Tamiya, (1963)trong nghiên cứu về vòng đời của tảo Chlorella đã chia

vòng đời của tảo làm 4 giai đoạn:

Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này các bào tử sẽ tăng nhanh về

kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp

Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị quá trình phân chia.

Giai đoạn chín mùi: Tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc

trong bóng tối

Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng

thích ra ngoài

Theo Trần Thị Thanh Hiền và ctv (2003), với chế độ dinh dưỡng thíchhợp và điều kiện lý học thuận lợi, quá trinh sinh trưởng của tảo trải qua cácpha sau:

Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào tảo gia tăng

kích thước nhưng ko có sự phân chia

Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục tuỳ thuộc vào

kích thước tế bào, cường độ ánh sang, nhiệt độ…

Pha tăng trưởng chậm: Sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đổi

của một yếu tố nào đó

Pha quân bình: do cạn kiệt dinh dưỡng, tảo bị suy tàn.

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của Chlorella

a Nhiệt độ

Mỗi loài tảo sẽ phát triển tốt ở một nhiệt độ nước thích hợp, ngoàingưỡng nhiệt độ đó tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết Nhìn chungnhiệt độ tốt nhất cho sự phát triển của tảo nằm trong khoảng 23 – 300C tùyloài, ở 400C tế bào tảo sẽ bị tổn hại ( Richmond, 1986) Nhiệt độ tăng làmtăng sự phát triển của tảo cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu ( Soeder , 1981).Tăng nhiệt độ vượt quá mức tối ưu làm giảm tổng hợp protein và do đó dẫn

đến giảm tốc độ tăng trưởng (Konopka và cộng sự., 1978) Chlorella vulgaris

tăng trưởng tối ưu ở nhiệt độ 25o C, nhưng có thể chịu đựng được nhiệt độ

370C (Liao,1983)

b Ánh sáng

Các vi tảo sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO2 vào cáchợp chất hữu cơ trong tế bào và sử dụng nó như nguồn năng lượng chínhtrong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng Để tảo phát triển cần một mức

độ nhất định về cường độ ánh sáng, tảo khắc phục hạn chế ánh sáng bằngcách giảm độ bão hòa của màng lục lạp Khi cường độ ánh sáng quá cao, vượtmức độ bão hòa sẽ gây ra hiện tượng photoinhibition - hiện tượng ức chế ánhsáng Điều này có thể làm bất hoạt các enzym tham gia vào quá trình cố định

CO2 (Iqbal và cộng sự., 102)

Ngoài cường độ ánh sáng, chu kỳ ánh sáng và các thành phần quangphổ của ánh sáng cũng tác động tới sự phát triển của tảo Trong điều kiệncường độ ánh sáng cao, hiệu quả sử dụng ánh sáng có thể được tối ưu hóabằng cách kéo dài thời gian tối Điều này cho phép bộ máy quang hợp trong tếbào tảo sử dụng được hết các photon hấp thụ được và chuyển chúng thànhnăng lượng hóa học, do vậy tránh được ảnh hưởng của photoinhibition Ởđiều kiện thiếu ánh sáng trong thời gian dài chúng sẽ thích nghi bằng cáchtăng hàm lượng chlorophyll trong cơ thể Đặc tính ánh sáng khác nhau sẽ tạo

ra chlorophyll khác nhau và cũng ảnh hưởng đến quang hợp của tảo, mặt khácnó còn ảnh hưởng đến sinh trưởng và tỷ lệ sinh khối (Hu, 2003) TheoEmerson và cộng sự , (1943), ánh sáng màu xanh (456nm) và ánh sáng màu

đỏ (660nm) có hiệu quả nhất đối với sự quang hợp của tảo Chlorella vulgaris.

Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện nuôi cấy.Nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000LUX,với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cần cung cấp vào khoảng 5000 – 10000LUX

c pH

Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nuôi cấy vi tảo là pH vìnó quyết định khả năng hòa tan và hàm lượng sẵn có của CO2 cũng như cácchất dinh dưỡng thiết yếu trong môi trường Độ pH có một tác động đáng kểtới quá trình trao đổi chất của tảo (Chen at al.,1994) Trong quá trình sinhtrưởng, tảo hấp thu cacbon vô cơ khiến cho pH tăng lên đáng kể trong suốtquá trình nuôi (Hansen và cộng sự.,2002) Mức tăng trưởng tối ưu của tảo đạtđược trong khoảng pH trung tính (7 – 7,6), mặc dù pH tối ưu của tảo là pHban đầu trong môi trường nuôi cấy

pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trongnước Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sựtăng trưởng của tảo (Azov và cộng sự ,1982) Do pH cao làm tăng tính linhhoạt của thành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hìnhthành các tự bào tử, từ đó làm tăng thời gian hoàn thành của chu kỳ tế bào(Guckert và cộng sự., 1990) Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit làm thayđổi sự hấp thu chất dinh dưỡng (Gensemer và cộng sự., 1993) hoặc làm tăngkhả năng phát tán kim loại độc (Sunda và cộng sự., 1975) và do đó làm ảnhhưởng tới sự phát triển của tảo

d Dinh dưỡng

Cacbon, nito và photpho là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho quá trìnhphát triển của tảo (Valero, 1981) Nito và photpho là hai chất dinh dưỡngquan trọng cho sự tăng trưởng và sự trao đổi chất của các tế bào tảo

Nito là một yếu tố dinh dưỡng quan trọng góp phần quan trọng trongviệc sản xuất sinh khối tảo và là một thành phần quan trọng của thành phần tếbào như axit amin, protein, amino axit… và chiếm 7 % đến 20% trọng lượngkhô của tế bào (Hu Q , 2004) Hầu hết các loài vi tảo có khả năng sử dụngnhiều nguồn nito gồm có nito hữu cơ (ure, glutamin, glyxin,…) và nito vô cơ

(amoni, nitrat và nitrit) Các dạng nito vô cơ trong nước được tảo hấp thụ vàđồng hóa thành các hợp chất sinh hóa trong cơ thể và được các tế bào sử dụng đểđáp ứng các thay đổi của nhu cầu sinh lý Tác động chủ yếu của tình trạng thiếunito trong môi trường nuôi tảo là việc giảm hàm lượng protein (Morris và cộngsự 1997) và tăng khả năng tích tụ các chất béo (Thompson và cộng sự , 1996)

Photpho là thành phần dinh dưỡng chính đóng vai trò quan trọng trongquá trình trao đổi chất của tế bào như chuyển giao năng lượng, sinh tổng hợpacid nucleic, DNA cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình thường củatảo Photpho thường chiếm 1% trọng lượng khô của tảo (Hu Q , 2004) Một

số nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong môi trường tự nhiên, photpho là yếu tố giớihạn đối với sự phát triển của tảo (Borchardt và cộng sự., 1968) Hàm lượngphotpho thấp trong môi trường cũng dẫn đến sự tích tụ các chất béo Tổng

litpit trong tảo Scendesmus sp tăng từ 23% lên 53 %, đồng thời với việc giảm

nồng độ photpho trong nước từ 0,1 – 2,0 mg/L ( Li và cộng sự., 2010)

Tỷ lệ N:P là một yếu tố quan trọng đối với việc loại bỏ N và P trong hệthống xử lý nước thải vì nó không chỉ xác định năng suất tiềm năng mà cònđóng vai trò quan trọng trong việc xác định loài chiếm ưu thế trong môitrường nuôi (Richmond A., 2004) Các tỷ lệ vô cơ N : P không giống nhau đốivới các loại nước thải khác nhau Tỷ lệ N : P nằm trong khoảng 6,8-10 đượccoi là tỷ lệ tối ưu cho tảo phát triển.Tuy nhiên ở khoảng tỉ lệ N : P tương đốirộng từ 5:1 đến 30:1 khả năng sinh trưởng và loại bỏ dinh dưỡng của tảo khátốt Khi tỉ lệ này xuống thấp đến 5:1 thì N trở thành yếu tố giới hạn còn khi tỉlệ này lên đến 30:1 thì P trở thành yếu tố giới hạnđến sinh trưởng và loại bỏdinh dưỡng của tảoHee Jeong Choi ( 2014)

Cacbon cũng là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phảiđược cung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo Nó là yếu tố cần thiết choquá trình quang hợp và sinh sản Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc

độ tăng trưởng của tảo Cacbon có thể được sử dụng dưới dạng cacbonat hoặc

bicacbonat Cacbon trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộcvào pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng Ở khoảng pH cao, lượngcacbonat tăng và bicacbonat giảm (Chen và cộng sự 1994) Ở những giá trị

pH trung bình (pH=8,2) , 90 % cacbon tồn tại dưới dạng CO32-, chỉ có 1 % tồntại ở dạng CO2 phân tử và phần còn lại là bicacbonat (Eshaq và cộng sự ,2010) Khi hàm lượng CO2 quá cao có thể làm giảm nồng độ tương đối củaprotein và các sắc tố trong tế bào nhưng làm gia tăng hàm lượngcarbohydrate Sự thay đổi trong thành phần tế bào này làm giảm năng suấtsinh khối tối đa (Gordillo và cộng sự , 1998)

1.2 Ứng dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải

Vi tảo có khả năng quang hợp tốt, chuyển hóa năng lượng mặt trờithành năng lượng hữu ích và sử dụng các chất dinh dưỡng như Nito và

Photpho thường gây hiện tượng phú dưỡng để tạo thành sinh khối có ích (De

La Noue và De Pauw, 1988) Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, tảo sử

dụng nguồn C, N, P trong nước để tổng hợp sinh khối và các chất cần thiếtcho cơ thể chúng (Munoz and Guieysse, 2006; Kumar et al, 2010), do vậy sựphát triển của tảo sẽ giúp loại bỏ các chất nhiễm bẩn (dinh dưỡng, chất hữucơ) trong nước thải

Palmer (1969) liệt kê các loại tảo theo thứ tự chống chịu của chúngtrong môi trường nước ô nhiễm hữu cơ theo báo cáo của 165 tác giả Danhsách này được biên soạn cho 60 chi và 80 loài Tám chi có thể sinh trưởng

trong môi trường nước thải là Euglena, Oscillatoria, Chlamydomonas, Scenedesmus, Chlorella, Nitzschia, Navicula và Stigeoclonium.Nhiều nghiên

cứu đã chứng minh sự thành công của việc nuôi cấy tảo để loại bỏ các chấtdinh dưỡng từ nước thải giàu hợp chất nito và phốt pho (Przytocki-Jusiak et

al, 1984; Rodrigues và Oliveira, 1987) Mohamed (1994) đã chỉ ra rằng

Scenedesmus sp rất phổ biến trong nước ngọt, và đóng một vai trò quan trọng

góp phần làm sạch nước Như một biện pháp thay thế cho các biện pháp xử lý

thông thường, tảo được ứng dụng trong loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước thải(Mallick, 2002) Ý tưởng này đã được đưa ra từ cách đây 55 năm tại Mỹ bởi

Oswald và Gotaas (1957), từ đó đã được thử nghiệm mạnh mẽ ở nhiều nước

(Goldman, 1979; Shelef và Soeder, 1980; De Pauw và Van Vaerenbergh, 1983)

Các loài tảo đã được nuôi trên các môi trường nước thải sinh hoạt, nướcthải chăn nuôi, nước thải ao nuôi thủy sản… và đã đưa ra những kết quả khảquan về mặt loại bỏ hợp chất nito, photpho Tảo có thể xử lý nước thải củacon người (Shelef et al, 1980; Mohamed, 1994; Ibraheem, 1998), chất thảichăn nuôi (Lincoln và Hill, 1980), chất thải nông nghiệp (Zaid-Iso, 1990; Ma

et al, 1990; Phang, 1990, 1991) và các chất thải công nghiệp (Kaplan et al,1988) Ngoài ra, tảo để xử lý các nước thải khác như nước thải từ các nhàmáy chế biến thực phẩm (Rodrigues và Oliveira , 1987) và các chất thải nôngnghiệp khác (Phang và Ong, 1988) đã được nghiên cứu Hệ thống dựa vào tảođể loại bỏ các khoáng chất độc hại như chì, cadmium, thủy ngân, scandium,thiếc, asen và brôm cũng đang được phát triển (Soeder et al, 1978; Kaplan et al,1988; Gerhardt et al, 1991; Hammouda et al, 1995; Cai-Xiaohua et al, 1995) Nuôi cấy tảo đã cung cấp một biện pháp có hiệu quả để loại bỏ các chấtdinh dưỡng từ nước thải (Evonne & Tang , 1997) Xử lý nước thải bằng vitảo là một biện pháp thân thiện với môi trường đồng thời đem lại lợi ích cả vềloại bỏ chất ô nhiễm và sản xuất sinh khối (Mulbry et l , 2006) Các loại tảo

đã được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Chlorella (Gonzale và cs., 1997), Scenedesmus (Martinez và cs., 1999), Spirulina (Olguin và cs., 2003) Một số

thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra sự chuyển hóa đạm (TN) và tổng

photpho (TP) ra khỏi môi trường nước thải bằng tảo Chlorella như thí nghiệm của Gozalez(1997)(Trần Sương Ngọc, 2003).Tác giả phát hiện ra Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphusđã hấp thu 95% NH4+ và TP 50% trongnước thải Tảo được nuôi trong các ống hình trụ và bình tam giác, cho thấy

giai đoạn đầu Scenedesmus có hiệu quả xử lý tốt hơn trong loại bỏ dinh

dưỡng nhưng thời kỳ cuối thí nghiệm thì tương tự nhau Sreesai and Pakpain

(2007) đã nghiên cứu khả năng loại bỏ dinh dưỡng của tảo Chlorella vulgaris

qua việc đo hàm lượng TN và TP Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng cao nhất ởnghiệm thức nuôi tự nhiên và lượng TN, TP được loại bỏ khỏi môi trườngnước lần lượt là 88% và 68%

Nghiên cứu của Liang Wang và cộng sự (2009) về khả năng xử lý nước

thải sinh hoạt bởi tảo Chlorellađã co thấyhiệu quả loại bỏ tổng N và tổng P

lần lượt là 76% và 65% Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàmlượng rất thấp do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp Thànhphần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng TN trong nước thải sinh hoạt (R

Crites, G Tchobanoglous 1998 và WEF 1998) Đối với Chlorella nguồn nito

sử dụng là muối amonium, nitrate và urea trong đó amonium cho kết quả tốtnhất (Iriarte, 1991) Như vậy nước thải sinh hoạt rất thích hợp cho sự sinh

trưởng phát triển của tảo Chlorella Lau và cộng sự (1996) nghiên cứu khả năng của xử lý nước thải của Chlorrella vulgaris trong việc loại bỏ chất dinh

dưỡng và kết quả loại bỏ được 86 % N vô cơ và 70% P vô cơ Theo kết quảcủa Colak và Kaya (1988) tảo đã loại bỏ 97,8% Photpho trong nước thải sinhhoạt Theo nghiên cứu của Dương Thị Hoàng Oanh (2011), tảo

Spirulinaplatensis có thể phát triển tốt trong các nguồn nước thải từ ao cá tra,

nước thải biogas và nước thải sinh hoạt, tảo phát triển với mật độ cao nhất(87.775±41.688 tb/ml) và làm giảm các yếu tố dinh dưỡng trong nước thảisinh hoạt một cách có hiệu quả nhất (hàm lượng TAN giảm 96,2%, NO3 -giảm 76,1%, PO43- giảm 98,1%, COD giảm 72,5%)

Nhiều nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm và đưa ra những điều kiệntối ưu nhằm tăng hiệu quả xử lý của tảo bằng việc thay đổi các điều kiện tácđộng như ánh sáng, nhiệt độ, thời gian thu sinh khối, tỉ lệ dinh dưỡng N : Ptrong nước thải… và chỉ ra hướng ứng dụng sinh khối tảo thu được vào những

mục đích khác nhau Hiệu quả loại bỏ TN và TP bởi Chlorella vulgaris trong

thí nghiệm của Chen Yan và cộng sự (2013) đạt 69.29 ± 5.17% và 77.24 ±4.92%, kết quả này cao hơn so với nghiên cứu của Bhatnagar và cộng sự

(2010) khi sử dụng một dòng tảo lục khác là Chlorella minutissima để xử lý

nước thải trong điều kiện ánh sáng tự nhiên, chứng tỏ so với sử dụng ánh sángtự nhiên, sử dụng ánh sáng nhân tạo với bước sóng tối ưu đạt hiệu quả cao hơn

Khi nghiên cứu hiệu qủa xử lý nước thải sinh hoạt của Chlorella vulgaris trong

các tỷ lệ N:P khác nhau, tỷ lệ N:P là 16:1 cho kết quả loại bỏ Nito cao nhất đạt96% (Hee Jeong Choi Cs 2014),đây cũng là tỷ lệ gây nên hiện tượng phúdưỡng trong các ao hồ và cũng là tỉ lệ N:P trong công thức tế bào chung củanhiều loài tảo (Klausmeier CA, 2004) Theo Richard (2004)đây là tỉ lệ cho tảo

Chlorella sinh trưởng cực đại Trong khoảng tỷ lệ N:P là 1:1- 20:1 hiệu quả loại bỏ TP của tảo Chlorella vulgaris với nước thải sinh hoạt là 80% (Hee

Jeong Choi Cs 2014)

Với nước thải chăn nuôi, tảo cũng sinh trưởng, phát triển tốt Liandong

Zhu và cộng sự (2013) đã nghiên cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nước thải

chăn nuôi cho thấy hiệu quả loại bỏ TN và TP lần lượt là 76% và 65% LiangWang &Min Min (2009) cho thấy hiệu quả xử lý TN giảm 62-92%, TP giảm70-79% khi nước thải có tỷ lệ N:P từ 4.5:1- 6:1 Võ Thị Kiều Thanh (2012)khi nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của

tảoChlorella sp.cho thấy sau khi nuôi tảo 9 ngày, hàm lượng COD trong nước

thải chăn nuôi lợn giảm từ 65,8- 88,2%; BOD5 giảm từ 61,4-84%; TN giảm87,4-90,18%, còn TP có hiệu quả xử lý không cao chỉ đạt 47,7-56,15%

Một nghiên cứu khác của Trần Trấn Bắc (2013) về nghiên cứu sử dụng

nước thải ao nuôi thủy sản để nuôi Chlorella kết luận rằng tảo phát triển tốt

trong nước thải ao cá tra và hấp thu lượng dinh dưỡng tốt nhất vào trong bangày đầu tiên (với hiệu suất hấp thu N-NO3-đạt 95,27%, N-NH4+ đạt 43,48%và P-PO43- đạt 88,66%)

Colak và Kaya (1988) đã báo cáo về hiệu quả loại bỏ nito (50,2%) và

photpho (85,7%) trong nước thải công nghiệp của tảo Hiệu quả xử lý của

Chlorella vulgaris với nước thải dệt nhuộm cũng được nghiên cứu trong

đóloại bỏ màu dao động từ 41,8% đến 50,0%, giảm NH4 –N (44,4-45,1%),

PO4 –P (33,1 -33,3%) và COD (38,3 -62,3%)(Lim et al, 2010) Hala Yassin

El-Kassas (2014) đã kết luận Chlorella vulgaris nuôi trong môi trường nước

thải dệt hiệu quả xử lý COD đạt 69,9% và loại bỏ màu đạt 75,68% Do đó

việc nuôi C. vulgaris trong nước thải dệt nhuộm chứng minh khả năng sản

xuất sinh khối, loại bỏ màu sắc và COD.Farooq ahmad (2013) tiến hành sử

dụng Chlorella vulagris trong xử lý nước thải đô thị và sản xuất dầu diesel

sinh học, kết quả phân tích các thông số được thực hiện trong các bước thínghiệm cho thấy một tỷ lệ phần trăm loại bỏ tối đa COD (99,9%), BOD(100%), NO3- (99,98%), PO42- (99,96%) và tổng colifrom (100%) trong nướcthải (Farooq ahmad et al, 2013)

Ngoài ứng dụng trong xử lý nước thải, tảo Chlorella còn rất nhiều ứng

dụng khác trong đời sống Việc này thích hợp để phát triển việc sử dụng tảo

xử lý môi trường đồng thời nuôi sinh khối tảo để phục vụ cho những lĩnh vực

khác Tảo Chlorella vulgaris có khả năng tích lũy chất béo trong tế bào lên

đến 35,86% có khả năng cho dầu lên đến 45 tấn/ha/năm (Trương Vĩnh, 2009)

Thành phần acid béo của chất béo từ vi tảo C.vulgaris được nuôi cấy ở điều

kiện thích hợp phân bố từ C15 đến C20, và tập trung chủ yếu là palmitic acidmethyl ester (C16:0) và linoleic acid methyl ester (C18:2) Đây là loại chấtbéo chủ yếu để tổng hợp Biodiesel (Hồ Quốc Phong và cs, 2014) Do đó, quanghiên cứu này cho thấy vi tảo có tiềm năng rất lớn để làm nguồn nguyên liệutổng hợp Biodiesel

Trong Chlorella có chứa nhiều β-Carotene, là chất chống oxy hóa, sửa

chữa DNA hư hỏng có tác dụng ngăn ngừa và phá hủy tế bào ung thư NgoàiCaroten ra, còn có nhiều Vitamin C, Vitamin E và Selenium, cũng là nhữngchất chống oxy hóa

Chlorella nâng cao lượng Interferon,  là nhân tố tự nhiên quan trọng

bậc nhất của cơ thể, là vũ khí phòng chống ung thư, có tác dụng kích thích sựhoạt động của tế bào Lympho-T và đại thực bào Macrophages Từ đó tăngcường kháng thể, không những chống lại những tế bào ung thư mà còn cả vikhuẩn, virus, chất hóa học và protein lạ

1.3 Ứng dụng của công nghệ HRAPs trong xử lý nước thải

Nhiều giải pháp công nghệ xử lý nước thải giàu dinh dưỡng đã đượcthử nghiệm Tại Singapore những năm gần đây đã có các công nghệ xử línước thải như: Công nghệ lọc Ultra (UF), công nghệ lọc thẩm thấu ngược(RO) hay ở Israel, nước thải công nghiệp và sinh hoạt đều được thu gom vàocác hệ thống xử lý tập trung Các công nghệ này cho hiệu quả xử lý cao, tuynhiên chi phí đầu tư, vận hành cao, đòi hỏi xử lý tập trung, điều này dẫn tớikhông khả thi trong điều kiện thực tế Hiện nay thì giải pháp sử dụng côngnghệ sinh học trong xử lý nước thải đang được các nước quan tâm và ưu tiênthực hiện Công nghệ sinh học vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang lạilợi ích cho xã hội và môi trường Ứng dụng công nghệ sinh học như một vòngtuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý nước thải hiệu quả mà không mang lại ảnhhưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường

Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (High rate algal ponds -HRAPs) đã

được sử dụng từ lâu trong lĩnh vực thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuấtnhiên liệu sinh học Tuy nhiên, nuôi tảo thông thường đòi hỏi cao về nguồnnước, chất dinh dưỡng và CO2, chúng chiếm 10-30% tổng chi phí(Borowitzka, 2005; Benemann, 2008a; Tampier, 2009; Clarens et al., 2010).HRAPs được phát triển vào cuối những năm 1950 cho xử lý nước thải vàphục hồi tài nguyên của Oswald và đồng nghiệp (Oswald và Golueke 1960)

Nguyên lý chung của công nghệnày dựa vào việc kéo dài pha quanghợp và rút ngắn pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăng sinh khối tảo, việc

phát triển sinh khối của tảo đồng nghĩa với việc loại bỏ các thành phần dinhdưỡng (N và P) có trong nước thải.

Không giống như các hệ thống xử lý nước thải chỉ có chức năng tậptrung là xử lý nước thải, công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) được thiết

kế không những cho hiệu quả xử lý tối ưu mà sản lượng sinh khối tảo cũng tối

đa. Tải trọng tiêu biểu cho HRAPs ở vùng khí hậu ôn đới trung bình 134 kgBOD ha-1d-1 , đạt tải trọng mùa hè tối ưu 366 kg BOD ha -1 d -1 Rất nhiều cáctài liệu khoa học hiện có cho thấy HRAPs có thể đạt được hiệu quả cao về xử

lý cho cả nước thải sinh hoạt và nông nghiệp được đánh giá bằng hiệu quảloại bỏ BOD, TSS, nito, phốt pho và kim loại nặng (Brian H Kiepper, 2013)

Hệ thống ao xử lý nước thải thông thường không được thiết kế để phụchồi tài nguyên từ nước thải Năng suất tảo/ vi khuẩn trung bình hàng nămtrong ao thường ít hơn 2,5 gm-2 ngày-1 (Craggs et al 2003) Việc chiều sâunông của HRAPs tăng tốc độ của ánh sáng mặt trời làm kích thích vi khuẩnvà thúc đẩy quá trình oxy hóa hòa tan các chất ô nhiễm hữu cơ (Davies –Colley 2005)

Craggs (2012) đã nghiên cứu về việc xây dựng và hoạt động của 5-hahệ thống HRAP xử lý nguồn nước thải chính tại nhà máy xử lý nước thảiChristchurch, New Zealand Hệ thống này bao gồm 4 HRAPs 1,25-ha đượcxây dựng Kết quả về hiệu suất từ 15 tháng đầu tiên HRAP hoạt động (màkhông cần bổ sung CO2) đã được thể hiện Bốn HRAPs đã cho thấy hiệu suấtnuôi sinh khối tảo/ vi khuẩn tương tự với hiệu quả xử lý nước thải trung bìnhhàng năm (nồng độ BOD5 nước thải đã giảm 47-52% trong bốn HRAPs Loại

bỏ fBOD5 là cao và nhất quán giữa bốn HRAPs với tất cả các HRAPs đạtđược 82-91% hiệu suất loại bỏ Hiệu quả NH4-N loại bỏ bởi bốn HRAPs là68-80%, trong khi loại bỏ PO43- chỉ 14-24%) (Craggs et al, 2012) Nghiên cứucho thấy tiềm năng về hiệu quả năng lượng và xử lý nước thải sử dụng

HRAP, trong khi sinh khối tảo sau thu hoạch có thể trở thành nơi phân phốinguồn năng lượng quý cho địa phương (Craggs et al, 2012).

Hình 1.2 Mô hình hệ thống HRAPs trong thực tế

Nguồn: R Craggs et al (2012)

J García và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm công nghệ nuôi tảohiệu suất cao (HRAPs) với 2 bể HRAPs để xử lý nước thải đô thị của khuvựcBarcelona, Tây Ban Nha.Nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trongmột năm, phân phối theo hai giai đoạn: từ tháng 6 năm 1993 đến tháng 2 năm

1994 và giữa tháng 4 năm 1994 đến tháng bảy năm 1994 Cả hai HRAPsđược hoạt động song song, nhưng với thời gian lưu thủy lực khác nhau Trongthời gian đó HRAP A luôn được vận hành với thời gian lưu thủy lực cao hơnHRAP B Thí nghiệm cho thấy thời gian lưu thủy lực ảnh hưởng đến hiệu quảloại bỏ Nito (khi các điều kiện thí nghiệm là giống hệt nhau cho cả 2 HRAPs).Phạm vi của thời gian lưu thủy lực được thông qua đã được lựa chọn theo cáckhuyến nghị của Oswald (1986) Thử nghiệm đầu tiên thời gian là từ tháng 7năm 1993 đến tháng 10 năm 1993 trong đó HRAP A và B có thời gian lưu

thủy lực tương ứng là 7 và 4 ngày Từ tháng 11 năm 1993 đến tháng 2 năm

1994, thời gian lưu thủy lực lần lượt là 10 và 8 ngày Từ giữa tháng 4 năm

1994 đến tháng 6 năm 1994, HRAP A có thời gian lưu là 7 và HRAP B là 5ngày, và vào tháng 7 năm 1994, 2 bể có thời gian lưu nước tương ứng là 4 và

3 ngày Nước thải đầu vào của HRAPs có các thông số về TSS, COD, BOD5,

TN, TP lần lượt là 59mg/L, 260 mg/L, 130mg/L, 51 mg/L N và 8,5 mg/L P.Kết quả việc loại bỏ Nitơ trung bình hàngnăm là 73% cho HRAP A và 57%

cho HRAP B Các loài tảo chính ở 2 HRAPs trong suốt nghiên cứu là: Dictyosphaerium pulchellum, Chlorella sp., Micractinium pusillum, Scenedesmus armatus, S.acutus.Mức độ loại bỏ Nito có thể được kiểm soát

thông qua việc điều chỉnh thời gian lưu thủy lực phù hợp Theo nghiên cứu cóthể giữ thời gian lưu 4 ngày vào mùa xuân và mùa hè, và 10 ngày trong mùathu và mùa đông Nồng độ Nito trong nước thải của hệ thống HRAPs có thểgiảm xuống dưới 15 mg/L N ( J García et al, 2000)

Donna L Sutherland đã nghiên cứu hệ thống xử lý nước thải HRAPstại nhà máy Christchurch,Zealand Vi tảo được đánh giá về khả năng sản xuấtsinh khối, hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng, sự hấp thụ ánh sáng và tiềm năngquang hợp theo mùa Tỷ lệ phần trăm của amoni (NH4-N) đã loại bỏ đượccao nhất ở mùa xuân (79%) và mùa hè (77%) và thấp nhất vào mùa thu (47%)và mùa đông (53%), trong khi hiệu quả loại bỏ của NH4-N loại bỏ trên mộtđơn vị sinh khối cao nhất vào mùa thu và mùa hè và thấp nhất vào mùa đôngvà mùa xuân (Donna L Sutherland, 2013)

1.4 Các yếu tố vận hành trong hệ thống HRAPs

Quyết định sự thành công của việc xử lý nước thải và sản xuất nhiênliệu sinh học là tối ưu hóa năng suất của tảo Trong công nghệ nuôi tảo hiệusuất cao HRAPs xử lý nước thải, điều này đảm bảo loại bỏ các chất dinhdưỡng, thông qua sự đồng hóa thành sinh khối tảo Vì vậy, cần biết các yếu tốcó khả năng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong môi trường HRAPs xử

lý nước thải để tối ưu hóa hiệu quả Quang hợp là động lực thúc đẩy sự hấpphụ các chất dinh dưỡng và hình thành của sinh khối và hiệu quả của nó làkhối lượng vi tảo thu được (Grobbelaar năm 2010; Wilhelm và Jakob 2011).Các yếu tố có ảnh hưởng đến quang hợp bao gồm các yếu tố vật lý như ánhsáng, sự xáo động và nhiệt độ; các yếu tố hóa học như lượng dinh dưỡng, pHvà độ mặn; các yếu tố sinh học như sự cạnh tranh giữa loài và nhiễm virus(Grobbelaar 2000; Larsdotter 2006a; González-Fernández et al 2011) Việcthiết kế và hoạt động của một HRAPs có thể ảnh hưởng đến một số các yếu tốnày và ảnh hưởng đến tế bào tảo Ánh sáng trong HRAPs được thay đổi bởi

độ sâu của ao, nồng độ sinh khối và sự xáo trộn Những yếu tố này ảnh hưởngđến tốc độ và hiệu quả của quang hợp và cuối cùng là năng suất (Grobbelaar

2009 và Donna L Sutherland 2013)

Những hệ thống HRAPs thường được xây dựng theo hình tròn,nông, theo dạng đường đua (raceways) với năng lượng đầu vào thấp, đã được

sử dụng trên toàn thế giới để xử lý nước thải trong nhiều năm. HRAPs thườngđược thiết kế ở độ sâu 8-20 inches (20-50 cm) và duy trì 1-3 ngày. MộtHRAP duy trì trạng thái hiếu khí bằng cách sử dụng sự phân bố của vi tảo vàmột số hình thức trộn cơ khí đầu vào năng lượng thấp, chẳng hạn như mộtbánh khuấy quay chậm. Việc khuấy trộn ngăn chặn sự hình thành của lớp bùncó thể dẫn đến điều kiện yếm khí (Brian H Kiepper, 2013)

Donna L Sutherland đã mô tả thiết kế hệ thống HRAP để xử lý nướcthải tại nhà máy xử lí nước thải Christchurch, Neazeland Hệ thống này baogồm bốn vòng đơn liền kề, đất lót mương HRAPs, mỗi vùng nước diện tích12.500 m2, độ sâu hoạt động của mương 0,35 m và tổng khối lượng 4,375 m3.Trong mỗi HRAPs, có một bánh khuấy được sử dụng để trộn nước thải trongmương ở một vận tốc nước trung bình ngang mặt là 0,2 m s-1 Tốc độ dòngchảy nước thải là 486 m3 mỗi ngày từ mỗi HRAP, tương đương thời gian lưunước là 9 ngày Trong những tháng mùa đông, HRAPs được vận hành với

thời gian lưu là 9 ngày, trong mùa thu và mùa xuân thời gian lưu là 7 ngày vàtrong suốt mùa hè là 5,5 ngày (Donna L Sutherland et al, 2013)

Hình 1.3 Sơ đồ của một hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao

Nguồn : R Craggs et al (2012)

J.B.K Park (2010) thiết kế HARPS có độ sâu 0,2-1 m Bánh khuấyxáo trộn nước tạo ra vận tốc dòng nước trung bình 0,15 – 0,3m/s (Craggs,2005) Dòng nước dưới dạng đường đua có thể là một vòng hoặc nhiều vòngxung quanh những bức tường ngăn cách

J García trong nghiên cứu của mình đã đưa ra một sơ đồ (Hình 1.4)

của HRAPs dạng đường đua Mỗi HRAP có diện tích nước là 1,54 m2 và thểtích là 0,47 m3 Các bánh khuấy trộn trong cả hai kênh nước tạo ra một vậntốc giữa kênh 9 cm s-1 Mỗi lắng có diện tích bề mặt là 0,0255 m2 Chiều caocủa đập lắng kiểm soát độ sâu của nước trong HRAPs, được điều chỉnh đến0,3 m

Hình 1.4 Sơ đồ mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ thống HRAPs

và bể lắng của nó

HRAPs thường có độ sâu khác nhau trong khoảng 0,2-1,0 m (Park etal., 2011a) Độ nông sâu, cùng với lượng nito và phốtpho cao từ nước thải,cho phép tảo sinh sôi nảy nở cho sinh khối cao, nồng độ chlorophyll-a (chl-a)sinh khối thường vượt quá 3000 mg/m3 (Craggs et al., 2012) Bánh khuấyđược sử dụng để nhẹ nhàng di chuyển nước trong kênh (nước trung bình vậntốc thường 0,15-0,30 m/s) và tạo ra sự xáo trộn thẳng đứng (Craggs et al.,2014) Việc khuấy trộn tăng cường sự phát triển tảo bằng cách đảm bảo sựtiếp xúc thường xuyên của các tế bào với ánh sáng, ngăn ngừa sự lắng đọngcủa các tảo /vi khuẩn và tăng cường sự khuếch tán của các chất dinh dưỡngqua lớp biên xung quanh các tế bào (Oswald, 1988; Grobbelaar, năm 2010;Hadiyanto et al., 2013) (trích Donna L Sutherland et al 2014)

Như vậy, công trình xử lý nước thải bằng nuôi tảo hiệu suất cao thườngđược thiết kế theo dạng đường đua (race way): đường đua là kênh chứa nướcthải có độ sâu tối đa 100 cm, chiều rộng kênh tối thiểu là 100 cm, chiều dàiđược tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượng nước thải (m3/ngày) và thời gian lưunước Nước thải đi qua hệ thống sẽ được đảo trộn đều bởi máy khuấy Hệthống khuấy giúp cho sự phân bố của tảo đều trên toàn bộ mặt kênh Nhiều

loài tảo đã được nghiên cứu nhằm mục đích này như: Chlorella (Gonzale và cs., 1997), Scenedesmus (Martinez và cs., 1999), Spirulina (Olguin và cs.,

2003) Với nguồn sinh khối tảo thu được từ hệ thống, tảo có thể sử dụng làmthức ăn thuỷ sản, phân bón và nhiên liệu sinh học Bên cạnh đó, việc hấp thu

CO2 giúp giảm thiểu các tác động tới biến đổi khí hậu tạo ra một chuỗi chănnuôi phát thải cacbon thấp

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

Phạm vi không gian: Tiến hành sau nhà khoa Thú y- Môi trường

Phạm vi thời gian: từ tháng 1 năm 2016 đến tháng 5 năm 2016.

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Chất lượng nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại.

- Đánh giá sự sinh trưởng và phát triển của tảo Chorella vulgaris trong

hệ thống

- Đánh giá hiệu quả xử lý dinh dưỡng của hệ thống HRAPs.

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp:

Tài liệu thứ cấp: Thu thập, tổng hợp, phân loại thông tin về các kết quảnghiên cứu từ các sách, báo, tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến tínhchất, thành phần nước thải Cơ chế loại bỏ N, P, đặc tính sinh trưởng, sinh sản

của tảo Chlorella vugaris, ứng dụng tảo xử lý nước thải, hệ thống HRAPs

Phương pháp bố trí thí nghiệm

 Thiết bị sử dụng.

- Máy khuấy: Khuấy trộn oxy và xáo trộn đều tảo trong hệ thống

+ Bán kính cánh khuấy: 30cm

+ Chiều rộng cánh khuấy: 40cm

+ Bề rộng mặt cánh khuấy: 10cm

+ Tốc độ cánh khuấy: 60 vòng/phút

- Đèn huỳnh quang ánh sáng trắng: Cung cấp ánh sáng nhân tạo chothí nghiệm

+ Số lượng: 8

+ Công suất: 60W

- Bể hình chữ nhật có kích thước : 4x1x1m Đáy lát gạch men trắng,thành bể xây bê tông dày 0,1m Giữa bể có vách ngăn dài 2m tạo thành dòngchảy dạng đường đua

- Máy bơm hút nước thải công suất 120l/ph

 Vật liệu:

- Nguồn tảo Chlorella vulgaris nhân nuôi trong môi trường nước thải

- Nước thải sinh hoạt lấy sau bể tự hoại nhà khoa Thú y – Môi trường

 Bố trí thí nghiệm:

Thí nghiệm 1: Đánh giá sự sinh trưởng của tảo và hiệu quả xử lý

của bể HRAPs với ánh sáng tự nhiên

Nước thải được hút từ bể tự hoại bơm trực tiếp vào hệ thống xử lý.Chiều cao mực nước là 0.3m, thể tích nước thải sử dụng là 1200lit Mật độ tảo

Chlorella vulgaris ban đầu của hệ thống là khoảng 2.105 – 3.105 tế bào/ml

Thí nghiệm được bố trí như Hình 2.1

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm hệ thống HRAPs với ánh sáng tự nhiên

- Điều kiện thí nghiệm:

Toàn bộ hệ thống bể được duy trì trong điều kiện nhiệt độ ngoài trời,ánh sáng tự nhiên Không khí cấp từ môi trường bên ngoài vào thông qua máykhuấy liên tục với tốc độ không đổi tạo thành dòng nước với vận tốc 0,2m/s

Thí nghiệm 2: Đánh giá quá trình sinh trưởng của tảo và hiệu quả xử lý

của bể HRAPs với ánh sáng nhân tạo.

Nước thải được hút từ bể tự hoại sau đó bơm vào thùng phi để trợ lắngbằng hóa chất keo tụ TRP-Ai nhằm loại bỏ TSS trước khi đưa vào hệ thống.Mực nước thải bố trí là 0.3m, thể tích nước thải sử dụng là 1200lit Mật độ tảo

Chlorella vulgaris ban đầu của hệ thống khoảng 2.105- 3.105 tế bào/ml Lắphệ thống đèn huỳnh quang trắng, đảm bảo cường độ sáng là 5000lux Thí

nghiệm bố trí như Hình 2.2

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm hệ thống HRAPs với ánh sáng nhân tạo

- Điều kiện thí nghiệm:

Toàn bộ hệ thống bể được duy trì trong điều kiện nhiệt độ ngoài trời,ánh sáng nhân tạo thời gian chiếu sáng là 16:8 ( 8h sáng tắt đèn, 4h chiều bật

đèn) Không khí cấp từ môi trường bên ngoài vào thông qua máy khuấy liêntục tạo thành dòng nước với vận tốc 0,2m/s.

 Kế hoạch lấy mẫu:

- Thời gian bố trí thí nghiệm: 10 ngày

- Các thông số nhiệt độ, pH, DO được theo dõi vào 8h, 10h, 12h, 14h,

16, 18h mỗi ngày Thông số: hàm lượng chlorophyll-a, mật độ tảo theo dõi tạithời điểm 8h và 14h hàng ngày Tiến hành lấy mẫu vào 8h sáng, mẫu đượckhuấy đều trước khi lấy, bảo quản trong tủ bảo quản ở 4oC và được đem đi lytâm tách tảo phân tích các thông số TSS, COD, NO3-, NH4+, PO43- hàng ngày.Thông số: TN và TP cách một ngày phân tích một lần

 Phương pháp xác định mật độ tảo bằng phương pháp đếm số lượng tế bào bằng buồng đếm Burker – Turk:

Dụng cụ để xác định hàm lượng tế bào là kính hiển vi Olympus CX21(Mỹ), buồng đếm Burker – Turk (Đức), lamen Số lượng tế bào đếm đượctrong 5 ô vuông lớn sẽ được dùng để tính mật độ tế bào theo công thức sau:

D = A*X*104

Trong đó : D: Mật độ tế bào (tb/ml)

A: Tổng số tế bào trong cả buồng đếm

X: Hệ số pha loãng (Chú ý: đối với các mẫu tảo có khảnăng chuyển động, trước khi đếm mẫu phải được cố định bằng dung dịch100% Ethanol hoặc 4% Foocmon)

Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm:

- TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008) Chất lượng nước - Xác định pH ;

- TCVN 7325:2004 - Chất lượng nước Xác định oxy hoà tan Phươngpháp đầu đo điện hoá

- TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989) Chất lượng nước - Xác định nhucầu oxy hoá học (COD) ;

- TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997) Chất lượng nước - Xác địnhchất rắn lơ lửng bằng cách lọc qua cái lọc sợi thuỷ tinh;

- TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004) Chất lượng nước - Xác định phôtpho - Phương pháp đo phổ dùng amoni molipdat

- Phân tích N-NH4+: phương pháp so màu ở bước sóng 667 nm bằngmáy đo quang phổ UV-VIS

- TCVN 6180: 1996 (ISO 7890/3: 1988), Chất lượng nước Xác địnhnitrat Phương pháp trắc phổ dùng axitosunfosalixylic

- Đo nồng độ Chlorophyll-a: TCVN 6662:2000 - Chất lượng nước Đothông số sinh hóa Phương pháp đo phổ xác định nồng độ Chlorophyll-a

Phương pháp đánh giá kết quả:

- Đánh giá đặc tính của nước thải thông qua QCVN 14-2008/BTNMT –Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt, cột B

- Sự sinh trưởng và phát triển của tảo được đánh giá qua mật độ tảo và

nồng độ Chlorophyll-a

- Đánh giá hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng thông qua kết quả phân

tích ban đầu và sau khi kết thúc thí nghiệm

H=(1− Ce Co )×100(%)

Trong đó : H là hiệu quả xử lý dinh dưỡng (%)

Co là nồng độ chất ô nhiễm ban đầu

Ce là nồng độ chất ô nhiễm sau khi kết thúc thí nghiệm

- Nước thải đầu ra của hệ thống được so sánh với cột B của QCVN

14 : 2008/BTNMT

 Phương pháp xử lý số liệu và trình bày kết quả:

- Phương pháp xử lý số liệu: thống kê mô tả; kiểm định; tương quan.

- Phương pháp kiểm định: phân tích phương sai (ANOVA) – xác định

sự sai khác giữa các nhóm ở mức ý nghĩa α = 0.05

- Phần mềm sử dụng xử lý số liệu: Excel 2010 và R-studio.