ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐÈN LED ĐỎ ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA TẢO

Các nghiên cứu vềảnh hưởng nhiệt độ tới sự sinh trưởng phát triển của tảo Chlorella Vulgarisvà hệ thống xử lý sử dụng tảo...11 1.4... Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, công nghệ sinh h

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

“ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐÈN LED ĐỎ ĐẾN KHẢ NĂNG

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA TẢO”

Người thực hiện : MAI ĐỨC TRUNG

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

“ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐÈN LED ĐỎ ĐẾN KHẢ NĂNG

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA TẢO”

Người thực hiện : MAI ĐỨC TRUNG

Chuyên ngành : Khoa học Môi trường Giáo viên hướng dẫn : TS ĐỖ THỦY NGUYÊN Địa điểm thực tập : Bộ môn Công nghệ môi trường

Hà Nội – 2016

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

Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của anh Trần MinhHoàng, bạn Đinh Phương Thảo, Nguyễn Xuân Quỳnh, Nguyễn Thị Mai vàNguyễn Mai Trang, những người đã luôn quan tâm và đồng hành cùng tôitrong 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 20,tháng 5, năm 2016

Sinh viên thực hiện

MAI ĐỨC TRUNG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tổng quan về tảo Chlorella 3

1.1.1 Đặc điểm phân loại 3

1.1.2 Hình thái, cấu tạo 3

1.1.3 Quá trình sinh sản 4

1.1.4 Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo 4

1.1.5 Quá trình quang hợp của tảo 5

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella 6

1.2.1 Nhiệt độ 6

1.2.2 Ánh sáng 7

1.2.3 Dinh dưỡng 8

1.3 Các nghiên cứu vềảnh hưởng nhiệt độ tới sự sinh trưởng phát triển của tảo Chlorella Vulgarisvà hệ thống xử lý sử dụng tảo 11

1.4 Ứng dụngđèn LED trong xử lý nước thải sử dụng tảo 13

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Đối tượng nghiên cứu 19

2.2 Phạm vi nghiên cứu 19

2.3 Nội dung nghiên cứu 19

2.4 Phương pháp nghiên cứu 19

2.4.1 Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp và sơ cấp 19

2.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm: 19

2.4.3 Phương pháp xác định mật độ tảo bằng phương pháp đếm số lượng tế bào bằng buồng đếm Burker – Turk 24

2.4.4 Phương pháp phân tích Chlorophyll – a 24

2.4.5.Phương pháp phân tích 24

2.4.6 Phương pháp xử lý số liệu 25

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Khả năng sinh trưởng và xử lý nước thải của tảo trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau 26

3.1.1 Khả năng sinh trưởng và phát triển của tảo 26

3.1.2 So sánh hiệu quả xử lý nước thải của tảo trong các công thức khác nhau .30

3.1.3 Tương quan giữa hàm lượng Chlorophyll- a và hiệu suất loại bỏ dinh dưỡng 37

3.2.Đánh giá diễn biến sinh trưởng và khả năng xử lý nước thải của tảo với sự thay đổi nhiệt độ theo ngày mô phỏng 2 mùa đông - hè 42

3.2.1 Diễn biến sinh trưởng của tảo 42

3.2.2 Biến động các thông số dinh dưỡng ở 2 công thức nhiệt độ mô phỏng theo 2 mùa đông và hè 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

1 Kết luận 51

2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng điều chỉnh nhiệt độ trong ngày mô phỏng theo 2 công thức

mùa hè và mùa đông 22Bảng 3.1: Mật độ tảo và hàm lượng Chlorophyll- a ở các công thức sau 26thời gian nghiên cứu 26Bảng 3.2: Hiệu quả xử lý nước thải trong các công thức nhiệt độ khác nhau

30Bảng 3.3 : Nồng độ và hiệu suất loại bỏ N P tổng trong các công thức nhiệt

độ khác nhau 35Bảng 3.4: Diễn biến Chlorophyll-a theo ngày mô phỏng 2 mùa đông và hè

42Bảng 3.5: Biến động dinh dưỡng ở 2 công thức nhiệt độ mô phỏng 2 mùa

đông và hè 46

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tảo Chlorella 3

Hình 1.2 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo 5

Hình 1.3: Tỉ lệ phát triển tảo ở các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau với 2 loài tảo Chlorella Vulgaris và Fragilaria Crotonensis 11

Hình 1.4: Tỉ lệ phát triển và sinh khối ở các nhiệt độ và nồng độ CO2khác nhau 12

Hình 1.5: Diễn biến Chlorophyll - a ở các công thức nhiệt độ và nồng độ CO2 khác nhau 13

Hình 1.6 Hiệu quả loại bỏ COD và dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu sáng 2000μmol/mmol/m2/s a: Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N 16

Hình 1.7 Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu sáng a: Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N 17

Hình 1.8: HIỆU suất loại bỏ NH4+ 18

Hình 1.9: Hiệu suất loại bỏ NO3- 18

Hình 1.10: Hiệu suất loại bỏ N tổng 18

Hình 1.11: Hiệu suất loại bỏ PO43- 18

Hinh 2.1: Công thức thí nghiệm 1 21

Hình 2.2: Bố trí thí nghiệm trong tủ định ôn 21

Hình 2.3: Công thức thí nghiệm 2 23

Hình 2.4: Bố trí thí nghiệm trong tủ định ôn 23

Hình 3.1: Độ tăng mật độ tảo ở các công thức nhiệt độ khác nhau 27

Hình 3.2: Độ tăng Chlorophyll- a ở các công thức nhiệt độ khác nhau 29

Hình 3.3: Hiệu suất loại bỏ COD ở các công thức nhiệt độ khác nhau 33

Hình 3.4: Hiệu suất loại bỏ NH4 ở các công thức nhiệt độ khác nhau 33

Hình 3.5: Hiệu suất loại bỏ PO43- ở các nhiệt độ khác nhau 34

Hình 3.6: Hiệu suất loại bỏ N tổng ở các công thức nhiệt độ khác nhau 36

Hình 3.7: Hiệu suất loại bỏ P tổng ở các công thức nhiệt độ khác nhau 37

Hình 3.8: Mối liên hệ giữa hiệu suất loại bỏ COD và hàm lượng Chlorophyll-a .39

Hình 3.9: Mối liên hệ giữa hiệu suất loại bỏ NH4+ và hàm lượng Chlorophyll- a .40

Hình 3.10: Mối liên hệ giữa hiệu suất loại bỏ TP và hàm lượng Chlorophyll-a .40

Hình 3.11: Mối liên hệ giữa hiệu suất loại bỏ TN và hàm lượng Chlorophyll-a .41

Hình 3.12:Mối liên hệ giữa hiệu suất loại bỏ PO43- và hàm lượng Chlorophyll-a .41

Hình 3.13: Hàm lượng Chlorophyll- a ở 2 công thức nhiệt độ mô phỏng theo 2 mùa đông và hè 45

Hình 3.14: Biến động tỉ lệ NH4+ theo thời gian giữa các công thức 47

Hình 3.15:Biến động tỉ lệ PO43- theo thời gian giữa các công thức 48

Hình 3.16: Biến động tỉ lệ COD theo thời gian giữa các công thức 49

Hình 3.17: Biến động tỉ lệ NO3- theo thời gian giữa các công thức 49

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemistry Oxygen Demand)DIP

Cường độ ánh sáng tối ưu (Intensive of optimal light)TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TN

TP

Nitơ tổng số (Total Nitrogen)

Photpho tổng số (Total Phosphorus)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, công nghệ sinh học đang ngày một phát triển mạnh mẽ donhững hiệu quả vô cùng lớn mà nó mang lạivề kinh tế, xã hội cũng như môitrường.Giải pháp sử dụng công nghệ sinh học đang được áp dụng trong rất nhiềulĩnh vực đặc biệt là trong vấn đề xử lý nước thải thì công nghệ sinh họcđangđược các nước vô cùng quan tâm và ưu tiên thực hiện

Trong số rất nhiều các công nghệ sinh học hiện nay thì gần đâycông nghệnuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) đã và đang được sử dụng nhiều cho mục đích xử

lý nước thải tại một số quốc gia phát triển, đặc biệt là sử dụng tảo Chlorella Vulgaris Nguyên lý của công nghệ dựa việc tạo điều kiện tối ưu cho tảo nhằm

mục đích tăng sinh khối Các yếu tố làm tăng hiệu suất sinh học bao gồm: ánhsáng, nhiệt độ, hàm lượng CO2 hoà tan trong nước và dinh dưỡng (N và P) Cácyếu tố này luôn có sẵn trong nước thải cho thấy tính khả thi của giải pháp Vàtrong các yếu tố trên thì nhiệt độ đóng một vai trò vô cùng quan trọng cho sựsinh trưởng và phát triển của tảo

Nuôi cấy tảo trong điều kiện ánh sáng tự nhiên cho hiệu quả không cao doảnh hưởng nhiều của thời tiết và cường độ không ổn định Sử dụng ánh sángnhân tạo từ đèn LED giúp cung cấp ánh sáng một cách chủ động, điều chỉnhbước sóng và cường độ phù hợp để rút ngắn thời gian sinh trưởng của tảo, từ đónâng cao hiệu suất xử lý chất dinh dưỡng Theo kết quả của nhiều nghiên cứu thìánh sáng đỏ với cường độ phù hợp cho khả năng sinh trưởng và phát triển củatảo cũng như loại bỏ chất dinh dưỡng là cao nhất

Tuy nhiên, hệ thống xử lý bằng công nghệ sinh học phụ thuộc rất nhiều yếu tốthời tiết trong đó có yếu tố nhiệt độ Cho nêntrước khi đưa hệ thống này vào thực

tế cần phải có các nghiên cứu cụ thể Câu hỏi quan trọng phải đặt ra bây giờ là

trong môi trường nước thải có tác động của ánh sáng thì vai trò của nhiệt độ đốivới sinh trưởng phát triển của tảo như thế nào và khả năng xử lý chất dinh dưỡng

ra sao Chính vì các lí do trên, tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong điều kiện đèn LED đỏ đến khả năng xử lý nước thải của tảo”.

2 Mục đích nghiên cứu

- Khảo sát đánh giá sự ảnh hưởng của các công thứcnhiệt độ cố định khác

nhau tới khả năng sinh trưởng của tảo và hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt

- Khảo sát đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ mô phỏng 2 mùa đông hè tới

khả năng sinh trưởng của tảo và hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan về tảo Chlorella

1.1.1 Đặc điểm phân loại

1.1.2 Hình thái, cấu tạo

Chlorella là loại tảo đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng dichuyển chủ động Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình oval Kích cỡ tế bào từ 3 -5µm, hay ngay cả 2 - 4µm tùy loài, tùy điều kiện môi trường và giai đoạn phát

triển Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, chịu được những tác động cơ họcnhẹ Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, thànhphần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và chấtlượng của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ,1995).

1.1.3 Quá trình sinh sản

Dưới những điều kiện sống tối ưu: nhiều ánh sáng, nước trong, không khí

sạch Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn Quá trình sinh sản nói chung

được chia thành nhiều 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 Tảo Chlorella không có sự sinh

sản hữu tính Quá trình sinh sản được tiến hành nhờ tạo nên trong cơ thể mẹ các

tự 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) sau khi kếtthúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách xé màng tế bào mẹ.Các tế bào trẻ này sẽ lớn lên và phát triển đến giai đoạn chín, có khả năng sinhsản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995)

1.1.4.Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo

Tamiya, (1963) trong khi nghiên cứu vòng đời của Chlorella Ellipsoidea

chia làm 4 giai đoạn:

Giai đoạn tăng trưởng: ở giai đoạn này các tự 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 tự bào tử được phóng

thích ra ngoài

Theo Trần Thị Thanh Hiền và cộng sự (2003), với chế độ dinh dưỡng thích hợp và điều kiện lý học thuận lợi quá trình sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau:

Hình 1.2 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào gia tăng kích

thước nhưng không có sự phân chia

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

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

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

một yếu tố nào đó

Pha quân bình: Sự cân bằng được tạo ra giữa tốc độ tăng trưởng và các

nhân tố giới hạn

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

1.1.5 Quá trình quang hợp của tảo

Các sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng sử dụng cho quá trình quang hợp.Chúng định vị trong các lục lạp của thực vật hoặc phân tán trong chất tế bào của

sinh vật nhân sơ Tất cả các sinh vật quang hợp đều chứa chlorophyl vàcarotenoid Một số khác còn chứa phycobilin Chlorophyll-a là sắc tố chính vìnăng lượng do nó hấp thụ được sử dụng trực tiếp cho các phản ứng sáng củaquang hợp Các sắc tố còn lại là các sắc tố phụ vì năng lượng ánh sáng mà chúnghấp thụ được đều phải truyền cho chlorophyll (chất diệp lục) Chất diệp lục hấpthụ ánh sáng vùng đỏ và vùng xanh tím để lại vùng xanh lục tạo nên màu xanhlục của lá cây Phân tử diệp lục gồm có phần đầu thích nước là một vòngporphyrin chứa nhân Mg và một cái đuôi hydrat carbon dài kỵ nước (rượuphytol) Nhóm chất diệp lục ở vi khuẩn quang hợp về mặt cấu trúc đều giống vớinhóm chất diệp lục ở thực vật, nhưng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng dài hơn

và như vậy các vi sinh vật quang hợp đã sử dụng cả ánh sáng đỏ xa và ánh sánghồng ngoại trong quá trình quang hợp của mình Trong dải bước sóng của ánhsáng nhìn thấy (400-700nm) có 2 vùng hấp thụ của chlorophyll là xanh lam(430nm) và đỏ (622nm) (Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn, 2005)

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella

Đối với tảo thì mỗi loài tảo cần nuôi ở một khoảng nhiệt độ nước thíchhợp, ngoài ngưỡng nhiệt độ đó tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết Nhiệt độtăng làm tăng sự phát triển của tảo cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu(Soeder,1981).Theo Karin và cộng sự., (2006), các loài vi tảo thường phát triển tốt trongkhoảng nhiệt độ từ 15 – 25oC Còn theo Richmond, (1986) nhiệt độ tốt nhất cho

sự phát triển của tảo nằm trong khoảng 23 – 300C tùy loài và môi trường sống, ở

400C tế bào tảo sẽ bị tổn hại Tăng nhiệt độ vượt quá mức tối ưu làm giảm tổnghợp protein trong tế bào và do đó dẫn đến giảm tốc độ tăng trưởng (Konopka và

cộng sự., 1978), theo Liao (1983) thì nhiệt độ tối ưu cho tảo Chlorella Vulgarislà 250C, nhưng có thể chịu đựng được nhiệt độ 370C Tuy nhiên ở các

môi trường khác nhau thì nhiệt độ tối ưu cho tảo Chlorella Vulgarislà khác nhau,

phụ thuộc vào các yếu tố môi trường như ánh sáng, dinh dưỡng, hàm lượng oxyhòa tan…

1.2.2 Ánh sáng

Ánh sáng là nguồn năng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang tựdưỡng của vi tảo Để cho tảo phát triển cần một mức độ nhất định về cường độánh sáng, tuy nhiên nếu ánh sáng quá mạnh vượt mức độ bão hòa sẽ gây ra hiệntượng photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh sáng Điều này có thể làm bất hoạtcác enzym tham gia vào quá trình cố định CO2, dẫn đến sẽ hạn chế sự phát triểncủa tảo (Iqbal và cộng sự, 2001) Ở điều kiện thiếu ánh sáng trong thời gian dàichúng sẽ thích nghi bằng cách tăng hàm lượng chlorophyll trong cơ thể Đặc tínhánh sáng khác nhau sẽ tạo ra chlorophyll khác nhau và cũng ảnh hưởng đếnquang hợp của tảo, mặt khác nó còn ảnh hưởng đến sinh trưởng và tỷ lệ sinhkhối (Hu, 2003) Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tùy theo điều kiệnnuôi Nuôi trong bình thủy tinh, dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng khoảng1.000 lux, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cũng lớn khoảng 5.000 – 10.000

lux Sử dụng ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu sáng ít nhất 18 giờ/ngày Nuôi

tảo Chlorella trong quy trình nước xanh cải tiến bằng cá rô phi, cường độ ánh

sáng cần khoảng 4.000 – 30.000 lux (Nguyễn Thanh Phương và cộng sự, 2003).Ngoài cường độ ánh sáng, chu kỳ ánh sáng và các thành phần quang phổ của ánhsáng cũng tác động tới sự phát triển của tảo Trong điều kiện cường độ ánh sángcao, hiệu quả sử dụng ánh sáng có thể được tối ưu hóa bằng cách kéo dài thờigian tối Điều này cho phép bộ máy quang hợp trong tế bào tảo sử dụng được hếtcác photon hấp thụ được và chuyển chúng thành năng lượng hóa học, do vậytránh được ảnh hưởng của photoinhibition Theo Emerson và cộng sự , (1943),ánh sáng màu xanh lam (456 nm) và ánh sáng màu đỏ(660 nm) có hiệu quả nhất

đối với sự quang hợp của tảo Chlorella Vulgaris.

1.2.3 Dinh dưỡng

Qúa trình quang hợp tảo cần nhiều vật chất dinh dưỡng để tổng hợp chấthữu cơ và sinh trưởng, trong số các nguyên tố cần thiết cho tảo thì trong nướcchỉ có vài nguyên tố có thể đáp ứng đủ nhu cầu (O2 và H2), các nguyên tố còn lạiđều có hàm luợng rất thấp so với nhu cầu của tảo Do đó, tảo thường tăng cườnghấp thu và dự trữ các nguyên tố đó để phục vụ cho quá trình sinh trưởng cũngnhư tổng hợp chất hữu cơ Bên cạnh cacbon, nito và photpho là 2 nguồn dinhdưỡng cần thiết cho quá trình phát triển của tảo (Valero, 1981)

a Nito

Đối với Chlorella nguồn nito sử dụng là muối amoni, nitrat và urea trong

đó amoni cho kết quả tốt nhất (Iriarte, 1991) Trường hợp nguồn nito có đồng

thời amoni, nitrat và urea thì Chlorella sẽ sử dụng amoni trước còn nitrat và urea

sẽ được tảo chuyển hóa thành amoni trước khi kết hợp vào thành phần hữu cơ.Việc bổ sung amoni vào tế bào tảo khi đang hấp thu nitrat thì lập tức hạn chếhoàn toàn quá trình này Sự hấp thu amoni là nguyên nhân kìm chế enzym hấp

thu nitrat Amoni không ảnh hưởng đến sự tổng hợp tiền thể của enzym nitratnhưng amoni hoặc các sản phẩm chuyển hóa của nó dường như ngăn cản kết nốitiền thể protein vào trong enzym hoạt hóa bằng cách hạn chế quá trình tổng hợpprotein cần thiết cho sự kết nối này (Oh – Hama và cộng sự, 1986) Chlorella cóthể sử dụng nguồn urea khi nó là nguồn cung cấp nito duy nhất (Roon, 1968).Khi chuyển N – NO3- thành N – NH4+ đòi hỏi nguồn năng lượng và enzym khửnitrat Tương tự theo nghiên cứu của Ojeda (1986) về sự phát triển và thành phầnhóa học của 3 loài tảo sử dụng 4 nguồn nitrogen khác nhau Ông nhận thấy tảophát triển tốt ở giai đoạn cuối khi sử dụng nguồn nitrat là urea trong khi

Chlorella có tốc độ phát triển cao giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng amoni Tùy

loài Chlorella mà có sự tích lũy acid béo hoặc tinh bột khác nhau:

ChlorellaEllipsoideaSK và ChlorellaPyrenoidosa sẽ tăng acid béo trong khi Chlorella chỉ tăng về carbonhydrate và ChlorellaVulgaris tăng cả về carbon và

acid béo Sự thay đổi quá trình trao đổi chất kết hợp với tốc độ phát triển của tếbào tảo giảm dưới điều kiện thiếu nitrogen (Oh – Hama, 1986)

b Photpho

Photpho là một trong những nhân tố chính trong thành phần của tảo.Photpho có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra trong tế bào đặt biệt làquá trình chuyển hoá năng lượng và tổng hợp acid nucleic Giống như nito,photpho cũng là yếu tố giới hạn sinh trưởng của tảo Tảo sử dụng chủ yếu làphotpho vô cơ Photpho hữu cơ thường được thuỷ phân bởi các enzym ngoại bàonhư phosphoesterase, phosphatase để chuyển sang dạng photpho vô cơ dễ tiêu.Việc hấp thu photpho ở tảo được kích thích bởi ánh sáng Photpho thường tồn tại

ở hai dạng photpho hữu cơ (DIP) hoặc photpho vô cơ hoà tan (DOP).Hầu hếtphotpho hoà tan là DOP DIP thường ở dạng Orthophosphat (PO43-) và một ítMonophosphat (HPO42-) và Dihydrogen phosphat (H2PO4-) Tảo chỉ có thể sử

dụng photphat hữu cơ hoà tan Khi môi trường thiếu photphat hữu cơ hoà tan, tảo

có thể tiết ra enzym alkaline phosphatase, đây là một loại enzym ngoại bào cókhả năng giải phóng photphat trong phạm vi chất hữu cơ Hơn nữa, khi hàmlượng photphat hữu cơ hoà tan biến động trong khoảng thời gian ngắn thì tảo cóthể hấp thu và dự trữ photphat trong tế bào Trong thời gian biến động, một tếbào tảo có thể dự trữ photphat đủ cho sự phân chia 20 tế bào (Graham, 2000).Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong môi trường tự nhiên, photpho là yếu tốgiới hạn đối với sự phát triển của tảo (Borchardt và cộng sự, 1968)

c Cacbon

Cacbon cũng là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải đượccung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo Nó là yếu tố cần thiết cho quanghợp và sinh sản Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng củatảo Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat hoặcbicacbonat CO2 trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộc vào

pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng Ở những giá trị pH cao, lượng cacbonattăng và bicacbonat giảm (Chen và cộng sự, 1994) Ở những giá trị pH trung bình(pH=8.2), 90% cacbon hiện diện trong HCO3-, chỉ có 1% tồn tại như CO2 phân tử

và phần còn lại là bicacbonat (Eshaq và cộng sự, 2010) Khi hàm lượng CO2 quácao có thể làm giảm nồng độ tương đối của protein và các sắc tố trong tế bàonhưng làm gia tăng hàm lượng carbohydrate Sự thay đổi trong thành phần tế bàonày làm giảm năng suất sinh khối tối đa (Gordillo và cộng sự, 1998)

1.3 Các nghiên cứu vềảnh hưởng nhiệt độ tới sự sinh trưởng phát triển của

tảo Chlorella Vulgarisvà hệ thống xử lý sử dụng tảo

Đã có những nghiên cứu tương tự tìm hiểu về ảnh hưởng của nhiệt độ tới sinh

khối và sinh trưởng phát triển của tảo Chlorella sp ở trong các môi trường khác

nhau Alain Dauta,(1990)đã thực hiện nghiên cứu so sánh sự phát triển của 2 giống

tảo Chlorella Vulgaris Beiger và Synechocystis minima bout trong các dải nhiệt

độ (10°C-15°C-20°C-25°C-30°C-35°C) và bức xạ khác nhau (5-800 µEm-2s1)

Hình 1.3: Tỉ lệ phát triển tảo ở các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau với 2

loài tảo Chlorella Vulgarisvà Fragilaria Crotonensis

Kết quả thí nghiên cứu cho thấy sự phát triển của các loại tảo là khác nhau

ở các mức nhiệt độ và ở từng mức nhiệt độ là khác nhau giữa các mức độ bức xạ.Các nhóm nhiệt độ khSác nhau cho thấy sự khác nhau trongnhạy cảm với nhiệt

độ và bức xạ Đối với mỗi điều kiện nhiệt độ, ta có thể xác định một tỷ lệ tăngtrưởng tối đa(Pmax) và các liên kết cường độ ánh sáng tối ưu (Iopt) Ở nhiệt độcao, các loại tảo thường chịu đựng được cường độ ánh sáng cao hơn nhiều so với

ở nhiệt độ thấp hơn Tảo Chlorella có phản ứng tăng về tốc độ tăng trưởng và

QiJ khi nhiệt độ môi trường tăng Khi nhiệt độ cao hơn so với mức tối nhận thấy

sự giảmđi đáng kể trong tốc độ tăng trưởng Tảo phát triển tốt nhất ở độ bức xạ

110 µEm-2s-1, và ở độ bức xạ này tỉ lệ phát triển cao nhất của tạo được chứngkiến tại 30°C với tỉ lệ phát triển đạt xấp xỉ 1.1 ngày-1 Tiếp đến là 25°C, 35°C,20°C, 15°C và 10°C với tỉ lệ phát triển giảm dần Tuy nhiên ở các độ bức xạkhác thì tảo phát triển tốt ở các nhiệt độ khác nhau

Senthil Chinnasamy và cộng sự (2009),khi nghiên cứu về sinh khối của tảo Chlorella Vulgaris ở các mức nhiệt độ và nồng độ CO2 khác nhau ở nồng độ đãcho kết luận rằng tại CO2 cao (6%) nhiệt độ tối ưu cho sản xuất sinh khối là30°C Khi nhiệt độ tăng ở nồng độ này thì các phản ứng tăng trưởng của tảogiảm, còn với độ CO2 giảm thì các tác dụng phụ này cũng giảm theo Kết được

trình bày ở Hình 1.4và Hình 1.5

Hình 1.4: Tỉ lệ phát triển và sinh khối ở các nhiệt độ và nồng độ CO 2

khác nhau

Hình 1.5: Diễn biến Chlorophyll - a ở các công thức nhiệt độ và nồng độ

CO 2 khác nhau

Đối với công nghệ xử lý có rất nhiều hệ thống xử lý có áp dụng côngnghê sinh học đặc biệt là công nghệ sinh học sử dụng tảo Đối với các hệ thốngnày, nhiệt độ là 1 yếu tố khó kiểm soát nhưng lại vô cùng quan trọng Kết quảcho thấy, các hệ thông có điều chỉnh nhiệt độ có hiệu qua cao hơn hẳn so với các

hệ thống để cho nhiệt độ tự do dao động theo môi trường ngoài Hơn nữa với các

hệ thống tương tự nhưng nằm ở các khu vực có nhiệt độ thay đổi mạnh trongngày cũng như trong năm thì hiệu quả xử lý thì hiệu quả xử lý đạt thấp hơn sovới các hệ thống ở vùng có khí hậu ôn hòa, ít biến động Từ điều này cho thấy sựquan trong của việc phải nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ đến hiệu quả xử

lý và phát triển của sinh vật

1.4 Ứng dụngđèn LED trong xử lý nước thải sử dụng tảo

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu vềviệc ứng dụng đèn LED để xử lý nước thông qua hoạt động của thực vật nổi

(vi tảo) Các nghiên cứu đó đã cho thấy sử dụng đèn LED có khả năng làmthay đổi chất lượng nước hồ thông qua hoạt động của tảo, thể hiện ở hiệu quảloại bỏ dinh dưỡng, loại bỏ chất hữu cơ cũng như cải thiện oxy hòa tan trongnước.

Trong các nghiên cứu ứng dụng đèn LED để xử lý nước, khả năng loại

bỏ các chất nhiễm bẩn trong nước rất khả quan Hiệu quả loại bỏ COD trong

nước của tảo Chlorella Vulgaris khi sử dụng đèn LED đỏ đạt 82.19 ± 6.71%

với nước thải giàu C và đạt 74.82 ± 5.26% đối với nước thải giàu N (ChenYan et al, 2013)

Chen Yan và cộng sự(2013) đã kết luận rằng hiệu quả loại bỏ chất dinhdưỡng của tảo đạt cao nhất tại bước sóng ánh sảng đỏ, bước sóng đỏ là bước

sóng tối ưu cho sự phát triển của tảo Chlorella Vulgaris Sinh khối khô đạt mức cao nhất ở công thức sử dụng đèn LED đỏ, đèn LED xanh lục đạt thấp nhất Tảo Chlorella Vulgarisđạt hiệu quả cao khi hấp thụ ánh sáng đỏ nhờ chlorophyll khi

quang hợp, trong khi khả năng hấp thụ của nó đối với các bước sóng khác chỉ ởmức tiềm năng (Matthijs et al, 1996) Kết quả này cũng phù hợp với một sốnghiên cứu tương tự khác: Saha và cộng sự (2013) xác định rằng điều kiện ánh

sáng đỏ phù hợp cho sự phát triển của tảo Haematococcus pluvialis; Wang và

cộng sự (2007) khẳng định rằng ánh sáng đỏ là tối ưu cho sự phát triển của

Spirulina platensis; Matthijs HCP và cộng sự (1996) cho rằng bước sóng đỏ (659 nm) là tối ưu cho sự phát triển của tảo Chlorella Pyrenoidosa.

Sự kết hợp giữa ánh sáng xanh lục và đỏ cho phép tảo phát triển trong cường

độ cao hơn và đem lại hiệu quả sinh trưởng tốt hơn (Fu W et al, 2012) Trongnghiên cứu của mình, Kim và cộng sự (2012) cũng chỉ ra rằng kết hợp ánh sáng đèn

LED đỏ và xanh lam cho hiệu quả phát triển của tảo cao hơn 50% so với sử dụngánh sáng trắng.

Thay đổi cường độ chiếu sáng cũng ảnh hưởng tới khả năng sinh trưởng

và xử lý chất nhiễm bẩn trong nước của tảo Tang và cộng sự (2010) cho rằngviệc tăng cường độ ánh sáng đỏ dẫn tới phát triển đột biến của tảo, dẫn tới sinhkhối tảo tăng lên Cường độ ánh sáng đỏ từ 800 – 2000 μmol/mmol/m2/s đạt hiệu quả

xử lý cao đối với cả hai loại nước thải giàu N và giàu C, trong khi đó cường độ

40 và 2400 μmol/mmol/m2/s cho hiệu quả xử lý ở mức thấp (Chen Yan et al, 2013).Điều này được giải thích là do cường độ ánh sáng quá mức gây ra hiện tượngquang oxy hóa (photo-oxidation) và ức chế quang hợp (photo-inhibition) (Ana P.Carvalho et al, 2010), trong khi cường độ thấp không đủ duy trì sự phát triểncủa tảo Tuy nhiên, trong một nghiên cứu khác Kedebe et al (1996) lại cho rằngcường độ 330μmol/mmol photon/m2/s là tối ưu cho sự phát triển của Spirulina Platensis.

(Nguồn: Chen Yan et al, 2013)

Hình 1.6 Hiệu quả loại bỏ COD và dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu sáng 2000μmol/m 2 /s a: Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N.

(Nguồn: Chen Yan et al, 2013)

Hình 1.7 Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu

sáng a: Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N.

Phạm Đình Nghĩa, (2015) khi nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt

sử dụng tảo Chlorella Vulgaris ở 3 loại ánh sáng đỏ, lục, lam vớicác cường độ ánh

sáng khác nhau đã khẳng định rằng: hiệu quả xử lý đạt cao nhất ở bước sóng ánhsáng đỏ, đặc biệt ở cường độ 120 µmol/m2/s (6400 lux) Hiệu suất loại bỏ của tất cảcác thông số dinh dưỡng với hiệu quả xử lý NH4+, NO3- đạt trên 95% sau 9 ngàynghiên cứu, hiệu quả xử lý PO43- cũng đạt gần 80% Còn ở các công thức bước sóngánh sáng khác hiệu hiệu suất chỉ đạt tầm 80% trở xuống Kết quả này vượt trội hơn

so với các nghiên cứu ở trên vê hiệu quả xử lý Có thể cho thấy sự tối ưu của ánhsáng LED đỏ đặc biệt cường độ 120 µmol/m2/s (6400lux)

Hình 1.8: Hiệu suất loại bỏ NH 4 + Hình 1.9: Hiệu suất loại bỏ NO 3

-Hình 1.10: Hiệu suất loại bỏ N tổng Hình 1.11: Hiệu suất loại bỏ PO 4

3-CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

tảo Chlorella Vulgaris

2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thử nghiệm trên quy môphòng thí nghiệm (Pilot)

- Thời gian: từ tháng 1/2016 đến tháng 6/2016

2.3 Nội dung nghiên cứu

-So sánh sự sinh trưởng phát triển của tảo và khả năng xử lý nước thải ở các công thức nhiệt độ khác nhau

- Đánh giá diễn biếnsinh trưởng và khả năng xử lý nước thải của tảo với sự thay đổi nhiệt độ theo ngày mô phỏng theo 2 mùa đông và hè

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1.Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp và sơ cấp

- Dữ liệu thứ cấp: Các nghiên cứu liên quan tới ảnh hưởng của nhiệt độ đến tảo

và khả năng xử lý được thu thập thông tin từ các bài báo, sách, sách chuyênkhảo, giáo trình… và các tài liệu từ Internet

- Dữ liệu sơ cấp: Tiến hành đo đạc và phân tích các thông sốtại phòng thí nghiệm

bộ môn Công nghệ Môi trường

- Tủ định ôn

- Máy sục khí với lưu lượng 0.9 l/h

sử dụng ánh sáng đèn LED đỏ với cường độ đạt 120 µmol/m2/s (6400 lux) trong

tủ định ôn Thí nghiệm tiến hành lặp 5 lần Tiến hành đo nhiệt độ và đánh giátrạng thái nước hàng ngày vào 8h sáng Mẫu được lấy vào ngày đầu và ngày cuốicủa thí nghiệm, phân tích NO3-, NH4+, PO43-, tổng N, tổng P, COD sau khi tiếnhành li tâm tách tảo

Công thức thí nghiệm: Thí nghiệm tiến hành với 6 công thức ứng với cácmốc nhiệt độ : 14°C -18°C-22°C-26°C-30°C-35°C Theo như các nghiên cứutrước đây, với mỗi điều kiện khác nhau về oxi, dinh dưỡng cũng như về bức xạ

thì tảo Chlorella Vulgaris phát triển mạnh ở các nhiệt độ khác nhau Cho nên

trong điều kiện mới này, ta khảo sát các công thức nhiệt độ từ mức cực tiểu đếncực đại để tìm ra nhiệt độ tối ưu trong điều kiện nghiên cứu

Hinh 2.1: Công thức thí nghiệm 1

Hình 2.2: Bố trí thí nghiệm trong tủ định ôn Thí nghiệm 2: Đánh giá sinh trưởng phát triển của tảo theo ngày mô phỏng thay đổi nhiệt độ 2 mùa đông hè

Thí nghiệm được tiến hành trong bình PE 5lítchứa3lít nước bao gồm 2,7lítnước thải và 0,3 lít tảo được nuôi cấy sẵn với mật độ 216 nghìntb/ml

Hai công thức thí nghiệm mô phỏng nhiệt độ theo ngày của 2 mùa đông và

hè được tiến hành trong cùng điều kiện sục khí liên tục, thời gian chiếu sáng là24hsử dụng ánh sáng đèn LED đỏ với cường độ đạt 120µmol/m2/s (6400 lux).Thí nghiệm lặp 3 lần Nhiệt độ các công thức thí nghiệm được điều chỉnh trong

ngày theo các khung giờ định sẵn bằng chế độ hẹn giờ của tủ định ôn (Bảng 2.1) Mẫu được lấy và tiến hành đo đạc các chỉ tiêu nhiệt độ, Chlorophyll-a, xác

định mật độ tảo vào 8h sáng, 12h trưa và 6h tối mỗi ngày Tiến hành phân tíchcác thông số dinh dưỡng NO3-, NH4+, PO43-, COD vào 8h sáng hàng ngày

Bảng 2.1: Bảngđiều chỉnh nhiệt độtrong ngày mô phỏng theo 2 công thức

mùa hè và mùa đông Khung giờ Mùa hè Mùa đông Điều kiện thí nghiệm

 2,7lít nước thải 0,3líttảo được nuôi cấy từ trước

 Chiếu đèn và sục khí 24/24

Nhiệt độ được điều chỉnh như trên dựa theo số liệu nhiệt độ trung bình của mùa

hè là vào khoảng 28oC và mùa đông vào khoảng 16oC Ta thay đổi nhiệt độ ứngvới sự thay đổi nhiệt độ tăng, giảm trong ngày

Hình 2.3: Công thức thí nghiệm 2

Hình 2.4: Bố trí thí nghiệm trong tủ định ôn

2.4.3 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) Số lượng tế bào đếm được trong 5 ôvuông lớn 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 có khả năng chuyển động trước khi đếm mẫu phải cố định bằng dung dịch 100% Ethanol hoặc 4% Foocmon)

2.4.4 Phương pháp phân tích Chlorophyll – a

Hàm lượng sắc tố Chlorophyll-a được xác định theo phương pháp đo quang phổ

ở các bước sóng tương ứng, so màu và tính theo công thức mô tả trong Experimentalphycology: A Laboratory Manual của Christopher và cộng sự (1988)