Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tỉ Lệ Dinh Dưỡng NP Đến Sinh Trưởng Của Tảo

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA MÔI TRƢỜNG  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TỈ LỆ DINH DƢỠNG N:P ĐẾN SỰ SINH TRƢỞNG CỦA TẢO VÀ LOẠI BỎ DINH DƢỠNG TRONG NƢỚC THẢI SINH HOẠT BỞI TẢO CHLORELLA VULGARIS” Ngƣời thực : Đinh Phƣơng Thảo Lớp : K57 MTA Khóa : 57 Chuyên ngành : Môi trƣờng Giáo viên hƣớng dẫn : Ts Trịnh Quang Huy HÀ NỘI - 2016 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận tơi nhận giúp đỡ, bảo tận tình động viên thầy giáo, gia đình bạn bè Nhân dịp này, tơi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Trịnh Quang Huy giảng viên môn Công nghệ Môi trường – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, người trực tiếp hướng dẫn tơi thực khóa luận tận tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cảm ơn thầy kiên nhẫn bên cạnh, cổ vũ động viên em suốt trình học tập làm việc Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Đỗ Thủy Nguyên, cô ThS.Nguyễn Thị Thu Hà, giảng viên môn Công nghệ môi trường, khoa Môi trường, thầy cô bảo giúp đỡ tơi nhiều q trình nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn tồn thể quý thầy, cô giáo môn Công nghệ Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ thời gian thực tập môn Tôi xin chân thành cám ơn giúp đỡ nhiệt tình anh Trần Minh Hồng, chị Đặng Thị Thanh Hương, anh Nguyễn Việt Vương, bạn Phạm Đình Nghĩa suốt trình thực nghiên cứu Cuối xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện cho thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Đinh Phƣơng Thảo i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v Phần ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Đặc điểm sinh học tảo chlorella vulgarıs 2.2 Tổng quan ứng dụng tảo xử lý nƣớc thải sinh hoạt 10 2.2.1 Tính chất nƣớc thải sinh hoạt 10 2.2.2 Ứng dụng tảo xử lý nƣớc thải 12 2.3 Ứng dụng tảo Chlorella sống ngƣời 17 PHẦN ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 20 3.2 Phạm vi nghiên cứu 20 3.3 Nội dung nghiên cứu 20 3.4 Phƣơng pháp sử dụng nghiên cứu 20 3.4.1 Phƣơng pháp thu thập tài liệu thứ cấp: 20 3.4.2 Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm 20 3.4.3 Phƣơng pháp xác định mật độ tảo phƣơng pháp đếm số lƣợng tế b o bu ng đếm urker – Turk: 22 3.4.4 Phƣơng pháp xác định số tốc độ tăng trƣởng K 22 3.4.5 Phƣơng pháp phân tích Chlorophyll – a 22 3.4.6 Phƣơng pháp phân tích phòng thí nghiệm: 22 3.4.7 Phƣơng pháp so sánh 23 3.4.8 Phƣơng pháp xác định hiệu xuất loại bỏ N, P nƣớc thải 23 ii 3.4.9 Phƣơng pháp xử lý số liệu trình bày kết quả: 23 PHẦN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 24 4.1 Tính chất nƣớc thải sinh hoạt sử dụng nghiên cứu 24 4.2 Đánh giá ảnh hƣởng tỉ lệ N:P tới khả sinh trƣởng tảo Chlorella vulgaris điều kiện thí nghiệm 25 4.2.1 Quá trình sinh trƣởng tảo Chlorella vulgaris nƣớc thải sinh hoạt 26 4.2.2 Biến động yếu tố ảnh hƣởng đến phát triển tảo điều kiện thí nghiệm 30 4.3 Đánh giá hiệu loại bỏ dinh dƣỡng N, P nƣớc thải 40 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 45 5.1 Kết luận 45 5.2 Kiến nghị 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO iii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thành phần hóa học tảo Chlorella (% trọng lƣợng khô) Bảng 2.3: Hiệu loại bỏ Nito, Photpho khoảng tỉ lệ khác theo nghiên cứu Hee Jeong Choi (2014) 17 Bảng 3.1:Bảng điều kiện thí nghiệm cơng thức 21 Bảng 4.1: Tính chất nƣớc thải sử dụng nghiên cứu 24 Bảng 4.2 Bảng tốc độ sinh trƣởng (k) tảo công thức 29 Bảng 4.3 Giá trị trung bình thơng số mơi trƣờng thời gian nghiên cứu 31 Bảng 4.4 Tốc độ giảm n ng độ NO3- công thức giai đoạn 35 Bảng 4.5 Kết kiểm định sai khác có nghĩa việc loại bỏ NH4+ giai đoạn công thức 38 Bảng 4.6 Hiệu loại bỏ N, P nƣớc thải 40 iv DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hình thải tảo Chlorella vulgaris Hình 4.1: Sự biến động mật độ tảo theo thời gian công thức 27 Hình 4.2: Sự biến động n ng độ Chlorophyll-a theo thời gian công thức 27 Hình 4.3 Biến động thơng số DO theo thời gian 33 Hình 4.4 Biến động thông số pH theo thời gian 34 Hình 4.5 Diễn biến thay đổi n ng độ NO3- công thức đối chứng, cơng thức có tỉ lệ N:P = 5:1 N:P = 12:1 36 Hình 4.6 Diễn biến thay đổi n ng độ NH4+ cơng thức đối chứng, cơng thức có tỉ lệ N:P = 5:1 N:P = 12:1 37 Hình 4.7 Diễn biến thay đổi n ng độ PO43- công thức đối chứng, cơng thức có tỉ lệ N:P = 12:1; N:P = 16:1 N:P = 30:1 40 v Phần ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Nƣớc thải sinh hoạt không đƣợc xử lý xử lý không triệt để thƣờng chứa h m lƣợng cao chất hữu cơ, Nitơ (N), Photpho (P), vi sinh vật vi khuẩn gây bệnh Nƣớc thải đƣợc đổ vào thủy vực nguyên nhân dẫn tới suy thoái chất lƣợng, ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời Sự dƣ thừa chất dinh dƣỡng thúc đẩy phát triển loài tảo, rong, rêu thực vật thân mềm nƣớc cuối ảnh hƣởng đến cân sinh học nƣớc Có nhiều cơng nghệ xử lý nƣớc thải v đƣợc áp dụng Tuy nhiên, việc lựa chọn giải pháp xử lý phụ thuộc nhiều v o quy phạm pháp luật v mức độ đầu tƣ Hiện nh máy, xí nghiệp, giải pháp xử lý đƣợc áp dụng l cơng nghệ sinh học hiếu khí cơng nghệ bán hiếu khí kết hợp Nhƣng khu vực dân cƣ v hộ gia đinh giải pháp xử lý nƣớc thải áp dụng l sử dụng bể tự hoại Xử lý nƣớc thải bể tự hoại đƣợc cho l giải pháp mang tính tạm thời, lý do, khả xử lý hệ thống không cao Ứng dụng tảo xử lý nƣớc thải đƣợc nghiên cứu v chứng minh l đem lại hiệu tích cực, tiết kiệm lƣợng v thân thiện với mơi trƣờng Nhiều lồi tảo đƣợc nghiên cứu nhằm phục vụ cho mục đích n y nhƣ: Chlorella (Gonzale cs., 1997), Scenedesmus (Martinez cs., 1999), Spirulina (Olguin cs., 2003) Liang Wang cs (2009) nghiên cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nƣớc thải sinh hoạt, tổng N tổng P giảm đƣợc nghiên cứu lần lƣợt l 76% v 65%, Liandong Zhu Cs (2013) nghiên cứu với nƣớc thải chăn nuôi cho thấy giá trị lần lƣợt 76% 65% Trong trình xử lý, tảo sử dụng dinh dƣỡng Nitơ, Phốtpho dƣới dạng ion vô từ trình phân hủy hợp chất hữu để sinh trƣởng phát triển, từ loại bỏ dinh dƣỡng n y khỏi nƣớc thải Tuy nhu cầu dinh dƣỡng tế b o tảo, tỷ lệ N:P l yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất loại bỏ dinh dƣỡng nƣớc thải Tỷ lệ N:P không phù hợp khiến cho N P trở th nh yếu tố cản trở hoạt động tảo Thực tế cho thấy, ngu n nƣớc thải gi u dinh dƣỡng thƣờng có tỉ lệ N:P khơng đ ng đều, nƣớc thải sinh hoạt thƣờng có tỷ lệ N:P từ 5:1 – 12:1 (R Crites, G Tchobanoglous, 1998), nƣớc thải chăn nuôi 8:1 – 23:1 (Y S Choi, 2002), nƣớc thải thủy sản, nƣớc thải công nghiệp chế biến thực phẩm 3:1 – 11:1 (J Takeda, 1998), đòi hỏi q trình xử lý cần điều chỉnh tỷ,1994) Trong trình sinh trƣởng, tảo hấp thu cacbon vô khiến cho pH tăng lên đáng kể suốt q trình ni (Hansen cs ,2002) Mức tăng trƣởng tối ƣu tảo đạt đƣợc khoảng pH trung tính (7 – 7,6) pH yếu tố chi phối n ng độ tƣơng đối dạng cacbon nƣớc Ở giá trị pH cao, h m lƣợng CO2 có sẵn nƣớc nhỏ, làm hạn chế tăng trƣởng tảo (Azov v cs ,1982) Do pH cao l m tăng tính linh hoạt thành tế bào mẹ, ngăn ngừa phá vỡ ức chế việc hình thành tự bào tử, từ l m tăng thời gian hồn thành chu kỳ tế bào (Guckert cs , 1990) Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit l n thay đổi hấp thu chất dinh dƣỡng (Gensemer cs , 1993) l m tăng khả phát tán kim loại độc (Sunda v cs , 1975) v l m ảnh hƣởng tới phát triển tảo  Sục khí Theo Person (1980) nhận xét chế độ sục khí liên tục bán liên tục khơng sục khí nhận thấy suất bể sục khí cao 30% so với khơng sục khí Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trò quan trọng đặc biệt q trình quang hợp, đƣợc cung cấp ngu n CO2 khí quyển, từ khói thải nhà máy, muối carbonate hòa tan nhƣ NaHCO3 (Devgoswami, cs, 2011) Khi sục khí CO2 n ng độ lớn có ảnh hƣởng ức chế đến q trình sinh trƣởng tảo  Ảnh hƣởng dinh dƣỡng đến sinh trƣởng phát triển tảo Cacbon chất dinh dƣỡng quan trọng cần phải đƣợc cung cấp q trình sinh trƣởng tảo Nó yếu tố cần thiết cho quang hợp sinh sản Tỷ lệ cố định cacbon thấp làm giảm tốc độ tăng trƣởng tảo Cacbon đƣợc sử dụng dƣới hình thức cacbonat bicacbonat CO2 nƣớc có mặt hình thức tùy thuộc vào pH, nhiệt độ v h m lƣợng dinh dƣỡng Ở giá trị pH cao, lƣợng cacbonat tăng v bicacbonat giảm (Chen cs 1994) Ở giá trị pH trung bình (pH=8,2) , 90 % cacbon diện HCO3-, có 1% t n nhƣ CO2 phân tử phần lại bicacbonat (Eshaq cs , 2010) Khi h m lƣợng CO2 cao làm giảm n ng độ tƣơng đối protein sắc tố tế bào nhƣng l m gia tăng h m lƣợng carbohydrate Sự thay đổi thành phần tế bào làm giảm suất sinh khối tối đa (Gordillo v cs., 1998) Trong thủy vực tảo có khả tổng hợp chất vô th nh chất hữu cho thể thơng qua q trình quang hợp Trong thủy vực tự nhiên phát triển tảo phụ thuộc vào yếu tố l nƣớc, ánh sáng muối vô m chủ yếu l Photpho v Nitơ Do thời điểm cần hạn chế ba nhân tố giới hạn sinh trƣởng tảo Tuy nhiên ngu n giới hạn thay đổi việc xác định ngu n nhân tố giới hạn từ ba ngu n điều kiện thực tế ao nuôi tảo nhƣ ngu n nƣớc thải l điều cần thiết cho việc quản lý phát triển tảo (Lucc cs 1990) Theo Round (1975) nhóm tảo phát triển chiếm ƣu thế, điều có liên quan đến khả dự trữ Nitơ v Photpho tế bào tảo Nitơ v phốtpho hai chất dinh dƣỡng quan trọng cho tăng trƣởng trao đổi chất tế bào tảo Tuy nhiên nƣớc thải sau xử lý q trình hiếu khí yếm khí chứa nhiều Nitrat (NO3-), amon (NH4+), phosphate (PO43-), dẫn đến tƣợng phú dƣỡng ao h gây nở hoa tảo độc hại (Sawayama et al., 1998) Prasad (1982) Geddes (1984) xem xét P v N l chìa khóa tƣợng phú dƣỡng Vì vậy, cần nghiên cứu xử lý dinh dƣỡng n y nƣớc để ngăn chặn tƣợng phú dƣỡng ngu n nƣớc (Sawayama et al., 2000) Theo Smith (1982) Downing (1997) N P hai chất dinh dƣỡng đƣợc cho có ảnh hƣởng đến việc hạn chế sinh trƣởng, phát triển thực vật phù du (Klausmeier CA cs 2011) Nitơ l yếu tố dinh dƣỡng góp phần quan trọng việc sản xuất sinh khối tảo tham gia vào thành phần tế b o nhƣ axit amin, protein, amino axit… v chiếm 7% đến 20% trọng lƣợng khô tế bào (Hu Q , 2004) Hầu hết lồi vi tảo có khả sử dụng nhiều ngu n nitơ g m có nitơ hữu (ure, glutamin, glyxin,…) v nitơ vô (amoni, nitrat v nitrit) Các dạng nitơ vô nƣớc đƣợc tảo hấp thụ v đ ng hóa thành hợp chất sinh hóa thể v đƣợc tế bào sử dụng để đáp ứng thay đổi nhu cầu sinh lý Tác động chủ yếu tình trạng thiếu nitơ môi trƣờng nuôi tảo việc giảm h m lƣợng protein (Morris v cs 1997) v tăng khả tích tụ chất béo (Thompson cs , 1996) Phốt phần dinh dƣỡng đóng vai trò quan trọng q trình trao đổi chất tế b o nhƣ chuyển giao lƣợng, sinh tổng hợp acid nucleic, DNA cần thiết cho tăng trƣởng phát triển bình thƣờng tảo Phốtpho thƣờng chiếm 1% trọng lƣợng khô tảo (Hu Q , 2004) Một số nghiên cứu rằng, môi trƣờng tự nhiên, phốtpho yếu tố giới hạn phát triển tảo ( orchardt v cs , 1968) H m lƣợng phốtpho thấp mơi trƣờng dẫn đến tích tụ chất béo Tổng litpit tảo Scendesmus sp tăng từ 23% lên 53%, đ ng thời với việc giảm n ng độ phốtpho nƣớc từ 0,1 – 2,0 mg/L ( Li cs , 2010) 2.2 Tổng quan ứng dụng tảo xử lý nƣớc thải sinh hoạt 2.2.1 Tính chất nước thải sinh hoạt Nƣớc thải sinh hoạt l nƣớc thải phát sinh từ hoạt động sinh hoạt cộng đ ng dân cƣ nhƣ: khu vực đô thị, trung tâm thƣơng mại, khu vực vui chơi giải trí, cơng sở… Th nh phần nƣớc thải sinh hoạt g m loại: - Nƣớc nhiễm bẩn chất tiết ngƣời từ hệ thống vệ sinh - Nƣớc thải nhiễm bẩn chất thải sinh hoạt, hoạt động sinh hoạt nhƣ giặt giũ, nấu nƣớng tắm rửa Hợp chất Nito có nƣớc thải chủ yếu hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin,… nhƣ th nh phần khác chất thải rắn lỏng Mỗi ngƣời hàng ngày tiêu thụ 516 g Nitơ dƣới dạng protein thải khoảng 30% số H m lƣợng nitơ thải qua nƣớc tiểu lớn phân khoảng lần (A Mulder 2003) Các hợp chất chứa Nitơ, đặc biệt protein, v urin nƣớc tiểu bị thuỷ phân nhanh tạo thành amoni/amoniac Trong bể phốt xảy trình phân huỷ yếm khí 10 chất thải, q trình phân huỷ làm giảm đáng kể lƣợng chất hữu dạng carbon nhƣng tác dụng giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật H m lƣợng hợp chất nitơ nƣớc thải từ bể phốt cao so với ngu n thải chƣa qua phân huỷ yếm khí Trong nƣớc thải sinh hoạt, nitrat v nitrit có h m lƣợng thấp lƣợng oxy hoà tan mật độ vi sinh tự dƣỡng thấp Thành phần amoni chiếm 60 - 80% h m lƣợng nitơ tổng nƣớc thải sinh hoạt (R Crites, G Tchobanoglous 1998 WEF 1998) Ngu n phát thải Photpho quan trọng nƣớc thải sinh hoạt phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp Lƣợng Photpho có ngu n gốc từ phân đƣợc ƣớc tính 0,2 - 1,0 kg P/ngƣời/năm trung bình 0,6 kg Lƣợng photpho từ ngu n chất tẩy rửa tổng hợp đƣợc ƣớc tính 0,3 kg/ngƣời/năm Sau hạn chế cấm sử dụng photpho thành phần chất tẩy rửa, lƣợng photpho giảm xuống, khoảng 0,1 kg/ngƣời/năm (Lê Văn Cát, 2007) Thức ăn thừa: sữa, thịt, cá dụng cụ nấu ăn, đựng loại v o nƣớc thải lƣợng photpho đáng kể N ng độ hợp chất nitơ, photpho nƣớc thải sinh hoạt biến động theo lƣu lƣợng ngu n nƣớc thải: mức độ sử dụng nƣớc cƣ dân, mức độ tập trung dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu nƣớng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ng y tháng nhƣ mức sống tiện nghi cộng đ ng Lƣợng chất thải thƣờng đƣợc tính theo đầu ngƣời (khối lƣợng khô) n ng độ sau đƣợc pha loãng với mức nƣớc sử dụng đầu ngƣời (ở nƣớc cơng nghiệp khoảng 190 lít/ngƣời/ngày) cống rãnh thải (450 lít/ngƣời/ngày) N ng độ pha loãng đƣợc gọi n ng độ điểm xả cống thải (Lê Văn Cát, 2007) 11 2.2.2 Ứng dụng tảo xử lý nước thải Tảo đơn b o sử dụng lƣợng ánh sáng để tổng hợp nên sinh khối tế bào từ CO2 v nƣớc việc kết hợp Cacbon (C) với Nitơ (N) v Phốtpho (P) tỉ lệ tƣơng đối ổn định (Klausmeier CA cs., 2004) Công thức cân hóa học cho yếu tố phổ biến tế bào tảo trung bình C106H18O45N16P Sự tăng trƣởng tối ƣu tảo đòi hỏi cân yếu tố với tỷ lệ môi trƣờng nuôi cấy (Klausmeier CA cs., 2004) Để tảo tăng trƣởng tối ƣu, môi trƣờng nuôi cấy phải đƣợc bổ sung đầy đủ dinh dƣỡng Chúng bao g m số chất dinh dƣỡng nhƣ Cacbon, Nitơ, Phốtpho, Lƣu huỳnh Kali; số nguyên tố vi lƣợng nhƣ Co, Mo, Mn, vitamin Tỷ lệ N:P yếu tố quan trọng việc loại bỏ N P hệ thống xử lý nƣớc thải khơng xác định suất tiềm m đóng vai trò quan trọng việc xác định lồi chiếm ƣu mơi trƣờng ni (Richmond A., 2004) Các tỷ lệ N:P không giống loại nƣớc thải khác 12 Bảng 2.2: Các nghiên cứu vể sử dụng tảo xử lý nƣớc thải giới Việt Nam Tác giả Loại tảo Nƣớc thải Tỉ lệ dinh Kết dƣỡng N:P Hee Jeong Choi & Chlorella vulgaris Nƣớc thải sinh hoạt 1:1-11:1 Sinh trƣởng đạt cực đại, 2,97mg/l Seung Mok Lee 20:1-30:1 Sinh khối giảm dần từ 0,4-0,78mg/l v không đổi (2014) 11:1 – 30:1 H m lƣợng Nito đƣợc loại bỏ cao khoảng 82% khoảng từ 75-78% 16:1 Nito đƣợc loại bỏ cao 96% 5:1 Nito yếu tố giới hạn sinh trƣởng Photpho yếu tố giới hạn sinh trƣởng 1:1 -20:1 TP giảm 80% khoảng n y l dƣới 60% 16:1 Tảo Chlorella sinh trƣởng cực đại Roche 16:1 Photpho yếu tố giới hạn 5:1 – 80:1 Scendesmus sinh trƣởng tốt Richard Geider, Julie La Chlorella Rhee GY, Gotham IJ Scendesmus Nƣớc thải sinh hoạt (1980) Võ Thị Kiều Thanh cs Chlorella sp Nƣớc thải chăn nuôi 3:1 13 Tốc độ sinh trƣởng đạt 0,107-0,125/ngày Khả loại bỏ dinh dƣỡng (2012) Nito 87,5% TP giảm 46% Liandong Zhu.Cs Chlorella sp Nƣớc thải chăn nuôi 5:1 (2013) Guilford Hecky TN giảm 76% TP giảm 65% Ao h nƣớc (2000) >50:1 Photpho yếu tố giới hạn sinh trƣởng