nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sau hầm biogas của vi tảo scenedesmus quy mô phòng thí nghiệm

DANH MỤC BẢNGBảng 1.1 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas khu chuồng lợn náiBảng 1.2 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas khu chuồng lợn thịt Bản

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas khu chuồng lợn náiBảng 1.2 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas khu chuồng lợn thịt

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của Scenedesmus

Bảng 1.4 Hàm lượng vitamin của Scenedesmus so với trứng (mg/g P khô)

Bảng 1.5 Thành phần sinh khối khô của vi tảo

Bảng 1.6 Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus.sp

Bảng 2.1 Các thành phần dinh dưỡng trong môi trường BG – 11

Bảng 2.2 Các thành phần dinh dưỡng trong BG – 11 Trace Metals Solution

Bảng 2.3 Kết quả phân tích các thông số ô nhiễm trong nước thải sau hầm biogas củatrại heo Gia Phát

Bảng 2.4 Bảng so sánh giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nướcthải sau hầm biogas của trại heo Gia Phát

Bảng 2.5 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu

Bảng 2.6 Thời gian phân tích mẫu trong thí nghiệm 1

Bảng 3.1 Kết quả phân tích chỉ tiêu COD, BOD5 ở các nghiệm thức (mg/l)

Bảng 3.2 Nhiệt độ trung bình của 5 nghiệm thức

Bảng 3.3 pH trung bình của 5 nghiệm thức

Bảng 3.4 Hiệu xuất xử lý COD (%) ở các nghiệm thức

Bảng 3.5 Hiệu xuất xử lý COD (%) của vi tảo

Bảng 3.6 Tỉ lệ BOD/COD ở các nghiệm thức

Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý (%) ở các nghiệm thức

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Nước thải chăn nuôi sau hầm biogas

Hình 1.2 Hồ sinh học kết hợp nuôi cá

Hình 1.3 Bể biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi

Hình 1.4 Cấu tạo bể kỵ khí UASB

Hình 1.5 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng bể aerotank

Hình 1.6 Bể lọc sinh học

Hình 1.7 Hồ sinh học tại khu xử lý nước thải ở Đà Lạt

Hình 1.8 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng lục bình

Hình 1.9 Bãi lọc xử lý nước thải

Hình 1.10 Ứng dụng của vi tảo trong sản xuất nhiên liệu sinh học

Hình 1.11 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của vi tảo

Hình 1.12 Mối liên hệ giữa sự chuyển hóa các dạng cacbon vô cơ và giá trị pHHình 1.13 Một số hình thức nuôi tảo

Hình 1.14 Vi tảo Scenedesmus dimorphus

Hình 1.15 Quá trình chính trong hệ thống xử lý nước thải bằng tảo – vi khuẩnHình 2.1 Một số hình ảnh trong quá trình phân lập

Hình 2.2 Vi tảo nuôi trong ống nghiệm

Hình 2.3 Nuôi cây vi tảo ở thể tích lớn

Hình 2.4 Hầm biogas dạng HDPE

Hình 2.5 Lấy mẫu nước thải sau biogas tại bể lắng

Hình 2.6 Các bể nuôi tảo bằng nước thải

Hình 2.7 Mô hình nuôi tảo bằng nước thải

Hình 2.8 Lấy mẫu nước thải tại bể lắng

Hình 2.9 Nước thải lắng tại thùng sau khi lấy về

Hình 2.10 Dụng cụ lấy mẫu

Hình 2.11 Đo pH, nhiệt độ tại phòng thí nghiệm Môi Trường

Hình 2.12 Máy đo cường độ ánh sáng

Hình 2.13 Máy đo DO

Hình 2.14 Các ô trong buồng đếm Neubauer

Hình 2.15 Buồng đếm Neubauer và máy đếm cầm tay

Hình 2.16 Sử dụng kính hiển vị để theo dõi và đếm vi tảo

Hình 2.17 Phân tích Tổng Nito bằng máy chưng cất đạm và chuẩn độ tự độngHình 2.18 Thí nghiệm thay đổi mật độ vi tảo

Hình 3.1 Diễn biến nhiệt độ ở các nghiệm thức

Hình 3.2 Biểu đồ diễn biến pH trung bình của các nghiệm thức

Hình 3.3 Diễn biến pH ở các nghiệm thức

Hình 3.4 Cường độ ánh sáng trong các ngày thí nghiệm

Hình 3.5 Diễn biến lượng oxy hòa tan theo giờ ở các nghiệm thức

Hình 3.6 Sự thay đổi hàm lượng COD trong các nghiệm thức

Hình 3.7 Sự thay đổi hàm lượng BOD5 trong các nghiệm thức

Hình 3.8 Sự biến động hàm lượng TN trong các nghiệm thức nước thải

Hình 3.9 Sự biến động hàm lượng TP trong các nghiệm thức nước thải

Hình 3.10 Diễn biến mật độ vi tảo trong các nghiệm thức

Hình 3.11 Diễn biến mật độ vi tảo trong các nghiệm thức nước thải

Hình 3.12 Diễn biến mật độ vi tảo trong thí nghiệm 2

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Với lợi thế về địa hình, điều kiện tự nhiên, chăn nuôi luôn đóng vai trò quantrọng trong sự phát triển nông nghiệp ở Việt Nam Trong những năm 2001 - 2006 chănnuôi lợn phát triển với tốc độ tương đối cao 10%/năm, số lượng trạng trại chăn nuôităng nhanh[1] và tăng đều ở những năm về sau khoảng 3%/năm[2] Theo Báo cáo của

Bộ NNPTNT năm 2015, quy mô chăn nuôi có sự chuyển dịch rõ rệt từ chăn nuôi nhỏ lẻ,

phân tán sang chăn nuôi tập trung theo mô hình trang trại, trại gia nhằm tăng hiệu quảkinh tế.[3]

Tuy nhiên, với quy mô chăn nuôi lớn kéo theo hàng loạt các vấn đề, trong đóphải kể đến vấn đề chất thải chăn nuôi gây ô nhiễm môi trường Lượng chất thải phátsinh tương đối lớn với nồng độ các chất ô nhiễm rất cao, chủ yếu là các khí sinh học,chất hữu cơ, vô cơ và chứa nhiều mầm bệnh trong môi trường nước và phân Nhữngchất thải này gây ô nhiễm bầu không khí, nguồn nước mặt, môi trường đất, dễ đi sâuvào mạch nước ngầm và gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của người dân vànăng suất chăn nuôi[3] Do đó, nhiều nghiên cứu về việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng

hệ thống biogas được tiến hành và đã được áp dụng rộng rãi Theo đánh giá của Việnkhoa học và công nghệ Việt Nam, hàm lượng BOD5 và COD giảm 30 lần khi qua hệthống biogas cũng như hàm lượng chất rắn lơ lửng, tổng Nitơ, tổng Coliform cũnggiảm đáng kể Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm sau khi xử lý qua hầm biogas vẫncòn cao hơn tiêu chuẩn xả thải cho phép rất nhiều Việc đầu tư hệ thống xử lý nướcthải đạt tiêu chuẩn xả thải (QCVN 62-MT:2016/BTNMT) rất tốn kém, dẫn đến tìnhtrạng thải bỏ trực tiếp ra môi trường thường xuyên gây ô nhiễm môi trường nghiêmtrọng

Đối với một số trang trại cam kết bảo vệ môi trường, hầu hết đều xử lý nướcthải sau hầm biogas bằng hồ sinh học tự nhiên kết hợp nuôi cá Tuy vậy, hồ sinh học

xử lý nước thải trong thời gian dài, hiệu quả xử lý không cao Do đó, việc ứng dụng vitảo với mật độ lớn làm tăng hiệu quả xử lý và thu sinh khối Thành phần sinh khối của

vi tảo chứa hàm lượng dinh dưỡng cao, là nguồn thức ăn tự nhiên rất tốt cho thủy sản;sản xuất kháng sinh cũng như sản xuất dầu diesel sinh học từ nguồn lipid trong vi tảo.

Với những vấn đề nêu trên đòi hỏi phải có quy trình xử lý nước thải phù hợp

với điều kiện môi trường, hiệu quả kinh tế và phát triển lâu dài Đề tài “Nghiên cứu

khả năng xử lý nước thải sau hầm biogas của vi tảo Scenedesmus quy mô phòng thí nghiệm” được đề ra – Là tiền đề cho việc xây dựng mô hình xử lý nước thải sau hầm

biogas nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí xử lý môi trường và tạonguồn lợi kinh tế từ việc sử dụng sinh khối tảo

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu khả năng xử lý các chất ô nhiễm của vi tảo Scenedesmus trong

nước thải sau hầm biogas, làm tiền đề cho việc xây dựng mô hình xử lý nước thải sauhầm biogas kết hợp thu sinh khối vi tảo tạo lợi nhuận kinh tế

Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sau hầm biogas của vi tảo Scenedesmus

dimorphus quy mô phòng thí nghiệm (dạng mẻ).

Địa điểm thí nghiệm : Phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường và Phòng thựchành Cấp Thoát Nước thuộc Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP Hồ ChíMinh

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung 1: Tổng quan tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu

1- Thu thập các bài báo khoa học trong và ngoài nước về khả năng xử lý nước thảicủa vi tảo

2- Tìm hiểu các ứng dụng của vi tảo.

3- Tìm hiểu hiện trạng môi trường khu chăn nuôi heo và đặc điểm của nước thảisau chăn nuôi sau hầm biogas

4- Tìm hiểu các quy chuẩn xả thải cho phép đối với nước thải sau hầm biogas

Nội dung 2: Bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng xử lý nước thải sau hầm biogas của

vi tảo với nước thải sau hầm biogas, vi tảo giống và vật liệu thí nghiệm.

Nội dung 3: Tiến hành thí nghiệm

1- Thí nghiệm 1: Xác định nồng độ nước thải phù hợp cho sự phát triển của vi tảo2- Thí nghiệm 2: Xác định mật độ vi tảo thích hợp

Nội dung 4: Thu thập kết quả, xử lý số liệu

1- Ghi nhận kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu

2- Đánh giá khả năng xử lý nước thải sau hầm biogas của vi tảo Scenedesmus và

đề xuất hướng phát triển cho đề tài

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Đưa ra hướng mới trong kỹ thuật xử lý nước thải bằng vi tảo kết hợp thu hồi nănglượng thông qua nguồn sinh khối từ vi tảo

Xử lý nước thải sau biogas đạt chuẩn xả thải, giảm thiểu những tác hại của nướcthải đến con người và môi trường xung quanh Sinh khối tảo tạo nguồn lợi kinh tếcũng như giảm chi phí xử lý môi trường

6 TÍNH MỚI CỦA NGHIÊN CỨU

Sử dụng vi tảo Scenedesmus dimorphus được phân lập từ tự nhiên để xử lý nước

thải kết hợp thu sinh khối vi tảo, mở ra hướng tiếp cận mới trong kỹ thuật xử lý nướcthải phù hợp với xu hướng phát triển bền vững

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU HẦM BIOGAS

1.1.1 Tình hình ô nhiễm nước thải sau hầm biogas ở trại chăn nuôi heo

Chăn nuôi là một trong những lĩnh vực quan trọng trong nền nông nghiệp ViệtNam, phát triển nhanh chóng, dần chiếm tỉ lệ lớn trong nền kinh tế nước nhà Năm

2013, Việt Nam đã vươn lên đứng thứ 3 Châu Á sau Trung Quốc và Philiphin về sảnlượng thịt lợn Theo báo cáo của Bộ NNPTNT, năm 2015, ngành chăn nuôi đã cónhững bước chuyển dịch rõ ràng từ chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán sang chăn nuôi tậptrung theo mô hình trang trại, ứng dụng công nghệ khoa học kỹ thuật, tăng hiệu quảkinh tế [4].Tuy nhiên, với sự phát triển đạt được, ngành chăn nuôi phải đối mặt với

nhiều thách thức, đặc biệt là tình trạng ô nhiễm môi trường khu vực chăn nuôi Theođiều tra năm 2013 của Viện Chăn Nuôi về tình hình quản lý nước thải chăn nuôi ở một

số huyện thuộc TP Hồ Chí Minh và một số tỉnh lân cận cho thấy: Nước thải dùng chomục đích nông nghiệp (15% số trang trại), 45% số trang trại không có đất trồng trọt thìnước thải chỉ xử lý sơ bộ sau đó thải ra môi trường, còn lại 40% số trang trại sử dụnghầm biogas xử lý nước thải

Hình 1 1 Nước thải chăn nuôi sau hầm biogas

Biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi bằng hệ thống biogas được sử dụng rộng rãivới hàm lượng BOD5, COD giảm gần 30 lần và lượng oxy hòa tan tăng hơn 10 lần sovới đầu vào trước khi xử lý Lượng chất thải như phân, nước tiểu, nước rửa chuồngđược thu gom và chuyển đến hệ thống biogas để xử lý nhưng chất lượng nước đầu ravẫn không đạt điều kiện xả thải trực tiếp được quy định trong QCVN62-MT:2016/BTNMT Hàm lượng cặn lơ lửng, nồng độ Nitơ tổng và Photpho tổngcòn rất cao trong nước thải sau hầm biogas Nguồn nước thải giàu nito và photpho, khithải trực tiếp ra môi trường gây ra quá trình phú dưỡng hóa nghiêm trọng, gây ô nhiễmnguồn nước mặt, có mùi hôi thối và nhiều mầm bệnh gây ảnh hưởng đến sức khỏe conngười Ngoài ra, nước thải dễ dàng đi vào đất, một phần ô nhiễm sẽ ngấm vào mạchnước ngầm và phần còn lại gây tác động xấu đến môi trường đất, ảnh hưởng đến câytrồng.

Đối với những trại chăn nuôi sử dụng nước thải sau biogas để tưới cây hoặc kếthợp xử lý với hồ sinh học, nồng độ chất ô nhiễm giảm thông qua quá trình biến đổitrong cây trồng hoặc của thủy sinh vật trong ao hồ

Hình 1.2 Hồ sinh học kết hợp nuôi cá

Tuy nhiên, quá trình này diễn ra chậm trong khi lượng nước thải mỗi ngày rất lớn.Còn với những trại chăn nuôi không có đất trồng hoặc ao hồ, thì nước thải sau biogastrở thành mối lo ngại lớn cho môi trường xung quanh cũng như sức khỏe người dân tạikhu vực đó.

1.1.2 Thành phần và tính chất của nước thải sau hầm biogas

Nước thải sau hầm biogas thuộc loại dễ phân hủy sinh học vì thành phần chủ yếu

là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy, các dạng hợp chất của Nito, Photpho, chứa nhiều

vi sinh vật gây bệnh và hàm lượng cặn lơ lửng rất cao

Tùy vào quy mô từng trại chăn nuôi, giống heo, chế độ cho ăn cũng như khâu tắmheo và dọn dẹp vệ sinh chuồng trại mà nước thải sau hầm biogas khác nhau Hơn nữa,

hệ thống biogas dễ chịu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường nên hiệu quả xử lýcũng thay đổi Trong nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải bằng bể biogascủa một số trang trại chăn nuôi lợn vùng Đồng bằng Sông Hồng” tiến hành phân tíchmột số chỉ tiêu hóa học của nước thải trước và sau hầm biogas cho thấy các chỉ tiêu ônhiễm ở hai khu chuồng lợn thịt và lợn nái khác nhau.[5]

Bảng 1.1 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas

khu chuồng lợn nái[5]

Chỉ

Tiêu

Đơn

vị

Trước XL Sau XL Trước XL Sau XL Trước XL Sau XL

Bảng 1.2 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas

Trước XL Sau XL Trước XL Sau XL Trước XL Sau XL

1.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi được áp dụng

a Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học kết hợp hóa lý

Sử dụng phương pháp cơ học nhằm tách cặn rắn ra khỏi hỗn hợp nước thải bằngcách thu gom bằng song chắn rác hay dùng bể lắng cặn Cặn sau khi tách khỏi nướcthải được đưa đến các công trình xử lý kế tiếp, vừa giảm bớt lượng chất rắn gây cảntrở quá trình xử lý sau đồng thời lượng chất rắn tách được có thể chế biến thành phânbón

Sau quá trình xử lý cơ học, nước thải còn chứa nhiều chất hữu cơ và vô cơ dướidạng hạt có kích thước rất nhỏ, khó lắng hoặc khó tách được bằng phương pháp cơ học.Dùng các chất keo tụ thông dụng như phèn nhôm, phèn sắt, … kết hợp với chất trợ keo

tụ polymer để tăng hiệu quả quá trình keo tụ Với nước thải chăn nuôi heo, phươngpháp cơ học và keo tụ có thể tách được 80 - 90% hàm lượng cặn trong nước thải, tuynhiên phương pháp này đòi hỏi chi phí, kỹ thuật cao nên khó sử dụng trong các cơ sởchăn nuôi.[6]

b Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí

Bể biogas

Đây là phương pháp xử lý kỵ khí đơn giản, chi phí đầu tư thấp và được áp dụnghầu hết các trại chăn nuôi heo từ hộ gia đình đến quy mô công nghiệp vừa và lớn Bểhoạt động dựa vào vi sinh vật kỵ khí phân hủy các chất hữu cơ từ chất thải chăn nuôi.Thông thường, chất thải sẽ được phối trộn với nước, lượng vi sinh một tỉ lệ phù hợp,thời gian lưu nước từ 15 - 30 ngày

Hình 1.3 Bể biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi

Mực nước trong bể thường chiếm 2/3 chiều cao bể và phần còn lại ở phía trên đểchứa các khí biogas sinh ra trong quá trình xử lý bao gồm CH4, CO2, H2S và các khíkhác Phía trên bể biogas có hệ thống thu hồi khí thải tận dụng làm khí đốt hoặc chạymáy phát điện Dưới đáy bể là lớp bùn đáy tương đối ổn định, thường được tháo rađịnh kỳ và có thể tận dụng làm phân bón

Đối với nước thải chăn nuôi, bể biogas được coi là bước xử lý quan trọng đầutiên bởi hiệu quả xử lý COD, BOD5, SS và Coliform rất lớn trước khi đi vào các côngtrình xử lý tiếp theo Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoa Lý, nước thải chăn nuôisau khi qua biogas, BOD giảm khoảng 79 - 87%, Coliform giảm 98 - 99.7%, trứnggiun sán giảm 95.6 - 97%.[7]

Tuy nhiên, nước thải đầu ra vẫn còn chứa hàm lượng nito, photpho rất cao Hơnnữa, hiệu quả xử lý của bể biogas phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật, nên yếu tốmôi trường gián tiếp gây ảnh hưởng đến khả năng xử lý của bể.

Bể kỵ khí UASB

UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là công trình xử lý sinh học kỵ khí códòng nước thải chuyển động thẳng đứng từ dưới lên trên và đi qua lớp đệm bùn Lớpđệm này được hình thành dưới dạng hạt lớn hoặc nhỏ lơ lửng Trong điều kiện kỵ khí,các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với lớp bùn này và diễn ra quá trình phân hủy

kỵ khí Hỗn hợp khí sinh ra bao gồm CH4, CO2, H2S và các khí khác, một phần sẽ kếtdính với bông bùn hình thành bùn lơ lửng giúp quá trình khuấy trộn bùn và nước trong

bể tốt hơn Phần khí còn lại sẽ đi lên đến đỉnh bể, va chạm vào các tấm chắn hình nónthoát ra ngoài và bùn sẽ rơi xuống Để tăng độ tiếp xúc giữa nước thải và bùn, lượngkhí tự do sau khí thoát ra khỏi bể được tuần hoàn lại hệ thống

Hình 1.4 Cấu tạo bể kỵ khí UASB

Ở Thái Lan, hầu hết các trại nuôi heo đều áp dụng công trình xử lý sinh học UASB.

Ở Việt Nam, bể UASB được áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi heo Vĩnh An cho thấy

ở tải trọng 2 - 5 KgCOD/m3.ngày với hiệu quả xử lý đạt 70 - 72% còn tải trọng 5 - 6KgCOD/m3.ngày với hiệu quả xử lý đạt 48% [8] Tuy nhiên, khi vận hành bể UASB,hiện tượng bùn nổi cần được kiểm soát tốt tức là phải đảm bảo sự tiếp xúc giữa bùn vànước thải để nâng cao hiệu quả xử lý của bể

c Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Hình 1.5 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng bể aerotank

Xử lý nước thải chăn nuôi bằng bể aerotank có hiệu quả xử lý cao, ổn định nhưngchi phí đầu tư và vận hành tốn kém so với các phương pháp hiếu khí khác và chỉ phùhợp khi quỹ đất ít và điều kiện kinh tế tốt.

Lọc sinh học hiếu khí

Bể lọc sinh học trong xử lý nước thải là một thiết bị phản ứng sinh học trong đócác vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu lọc Bể lọc hiện đại bao gồm mộtlớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật dính kết trên đó Nước thải đi qua lớp vật liệunày sẽ thấm hoặc nhỏ giọt trên đó

Hình 1.6 Bể lọc sinh học

Vật liệu lọc thường là đá dăm hoặc hoặc khối vật liệu lọc có hình thù khác nhau.Nếu vật liệu lọc là đá hoặc sỏi thì kích thước hạt dao động trong khoảng 0,5 -2,5 m,trung bình là 1,8 m Bể lọc với vật liệu là đá dăm thường có dạng tròn Nước thải đượcphân phối trên lớp vật liệu lọc nhờ bộ phận phân phối Bể lọc với vật liệu lọc là chấtdẻo có thể có dạng tròn, vuông, hoặc nhiều dạng khác với chiều cao biến đổi từ 4 – 12

m Ba loại vật liệu bằng chất dẻo thường dùng là (1) vật liệu với dòng chảy thẳng đứng,(2) vật liệu với dòng chảy ngang, (3) vật liệu đa dạng

Chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ bởi quần thể vi sinh vật dính kết trên lớp vật liệu lọc

Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 – 0,2

mm và bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển,

bề dày lớp màng tăng lên, do đó, oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dàylớp màng sinh vật Như vậy, môi trường kị khí được hình thành ngay sát bề mặt vậtliệu lọc

Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hoá chất hữu cơ xảy ra trước khichúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc Kết quả là vi sinh vật ở đây bịphân huỷ nội bào, không còn khả năng dính bám lên bề mặt vật liệu lọc và bị rửa trôi

d Xử lý nước thải bằng ao hồ sinh học

Cơ chế của quá trình xử lý dựa trên sự phân hủy chất bẩn của các vi sinh vật cósẵn trong các thủy vực Do đó, môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển làđiều kiện quan trọng nhất Ngoài nguồn dinh dưỡng dồi dào trong nước thải thì một sốyếu tố gây độc, ức chế hoạt động của vi sinh vật, vi lượng cần thiết phải nằm tronggiới hạn cho phép và tuyệt đối không có sự hiện diện của những kim loại nặng như Cd,

As, Hg

Hình 1.7 Hồ sinh học tại khu xử lý nước thải ở Đà Lạt

 Hồ sục khí nhân tạo: oxy được cung cấp nhờ hoạt động của các thiết bịkhuấy cơ học hoặc khí nén, nhờ đó mà nguồn oxy nhiều hơn và độ sâu của

hồ cũng tăng khoảng 2 - 4,5m Tải trọng của hồ khoảng 400KgBOD5/ha.ngày, thời gian lưu nước từ 1 - 3 ngày hoặc có khi dài hơn

Ao hồ kỵ khí

Ao kỵ khí thuộc dạng ao sâu, ít có hoặc không có điều kiện hiếu khí xảy ra Các visinh vật kỵ khí sử dụng các hợp chất nitrat, sulfat để oxy hóa các chất hữu cơ sinhkhí và nước Ao hồ kỵ khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy, cóthể tiếp nhận nước thải có độ nhiễm bẩn lớn, tải trọng BOD cao và không cần vai tròquang hợp của tảo và nước lưu trong hồ sinh khí có mùi hôi thối khó chịu

Khi xây dựng hồ kỵ khí thường có chiều sâu khá lớn từ 2,5 - 3,5m, nhưng để duytrì điều kiện kỵ khí và giữ ấm nước trong hồ trong những ngày đông lạnh thì chiều sâu

hồ có thể tăng lên đến 6m Thời gian lưu nước khoảng 1,5 - 2 ngày vào mùa hè vàkhoảng 5 ngày vào mùa đông, diện tích mặt thoáng không cần lớn Hiệu suất khửBOD của hồ khoảng 65 - 89% vào mùa hè và giảm vào mùa đông (45 - 65%)

Ao hồ tùy tiện

Ao hồ tùy tiện thuộc dạng kết hợp của cả hai quá trình phân hủy hiếu khí và phânhủy kỵ khí và rất phổ biến trong thực tế Xét theo chiều sâu từ trên xuống dưới, hồ

phân chia thành 3 vùng: vùng hiếu khí (VSV hiếu khí hoạt động), vùng kỵ khí tùy tiện(VSV tùy tiện hoạt động) và vùng kỵ khí (vi khuẩn lên men Metan hoạt động) Nguồnoxy cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước khuếch tán qua mặtnước nhờ sóng gió và quá trình quang hợp của tảo dưới tác dụng của ánh sáng mặttrời.

Vùng hiếu khí chủ yếu ở lớp nước mặt có độ sâu 1m, tầng nước này luôn có nhiệt

độ cao hơn tầng nước bên dưới Tại đây, tảo tiêu thụ CO2và phát triển, làm pH củanước có tính kiềm và có khi pH lên đến 9 Khi tảo phát triển mạnh thành lớp dày rồichết và tự phân hủy làm nước thiếu oxy hòa tan, hoạt động của VSV hiếu khí giảm vàcác VSV kỵ khí tùy tiện hoạt động mạnh hơn Khi đó, nên khuấy đảo nước hồ để tránh

hồ bị quá tải chất hữu cơ Tại vùng kỵ khí ở đáy hồ, các chất hữu cơ bị phân hủy vàsinh ra các khí CH4, H2S, H2, N2, CO2… Quá trình này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ,khi nhiệt độ tăng cao quá trình lên men xảy ra nhanh hơn Tuy nhiên, khí sinh ra là khí

có mùi hôi, gây ô nhiễm không khí thậm chí có thể gây cháy nổ, ngoài ra, nếu conngười hít phải hỗn hợp khí thoát ra từ bể kỵ khí với nồng độ cao có thể ảnh hưởng đếntính mạng

Xây dựng hồ nên chọn chiều sâu khoảng 1 - 1,5m, tỉ lệ chiều rộng và chiều dài là1:1 hoặc 1:2 Những nơi nhiều gió diện tích hồ nên rộng hơn, những nơi ít gió thì nênxây hồ nhiều ngăn Đáy hồ cần phải chèn thêm lớp đất sét dày 15cm để chống thấm,

bờ hồ nên gia cố chắn chắn để tránh xói lở

e Xử lý nước thải bằng thủy sinh thực vật

Thực vật thủy sinh giữ vai trò quan trọng trong việc tham gia quá trình loại bỏ cácchất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nito, photpho, các vi sinh vật gây bệnh và kể cả kimloại nặng Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa thực vậy thủy sinh như lụcbình, bèo tấm, sậy và các sinh vật khác như tảo, vi khuẩn, động vật phù du, ấutrùng… Chúng tham gia trực tiếp vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ do sửdụng nguồn dinh dưỡng từ nước thải để tái tạo thành nguyên liệu dinh dưỡng chochúng sử dụng Đó chính là cơ chế quan trọng để loại bỏ các chất bẩn trong nước thải

Hình 1.8 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng lục bình

Để giảm lượng ô nhiễm từ nước thải, các vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên sẽ phânhủy các hợp chất hữu cơ Nhờ vào hệ thống các loại vật liệu tự nhiên, xử lý theo cácphương thức khác nhau để tạo nên môi trường sống phù hợp cho các vi sinh vật vớichức năng phân hủy các chất ô nhiễm có trong nước thải Phương pháp không sử dụnghóa chất trong quá trình xử lý, hiệu suất và cường độ phân hủy các chất ô nhiễm rấtcao, hệ thống vận hành đơn giản và giảm chi phí xử lý

Ngày nay, việc sử dụng thực vật thủy sinh trong việc xử lý môi trường được quantâm nhiều hơn vì những ưu điểm nổi trội : xử lý được nhiều tác nhân gây ô nhiễm, thânthiện với môi trường, giá thành xử lý thấp hơn các phương pháp khác, không tạo rabùn cần xử lý mà tạo ra lượng sinh khối lớn có nhiều ứng dụng trong thực tiễn nhưlàm thức ăn chăn nuôi - thủy sản, sản xuất phân bón, sản xuất khí metan …

f Xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới, bãi lọc

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nguồnnước tiếp nhận Quá trình xử lý nước thải là tổng hợp kết quả của các quá trình hóa lý

và sinh học phức tạp xảy ra bên trong lớp đất bề mặt

Khi nước thải thấm qua lớp đất bề mặt, cặn được giữ lại trong các mao quản đất

diễn ra Càng xuống sâu lớp đất phía dưới, lượng oxy càng ít, quá trình oxy hóa giảmdần cho đến khi quá trình khử Nitrat xảy ra Thực tế cho thấy, quá trình xử lý nướcthải qua lớp đất bề mặt chỉ diễn ra ở độ sâu 1,5m trở lại nên chỉ xây dựng cánh đồngtưới ở nơi đất xốp, mực nước ngầm thấp hơn 1,5m tính từ mặt đất Nước thải đượcphân bố vào các ô bằng hệ thống mạng lưới phân phối bao gồm : mương chính, mángphân phối và hệ thống tưới trong các ô.

Hình 1.9 Bãi lọc xử lý nước thải

Xử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây đang được áp dụng tại nhiều nước trên thếgiới bởi những ưu điểm của công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thânthiện với môi trường, chi phí đầu tư thấp, hệ thống dễ vận hành với mức độ xử lý ônhiễm cao Sinh khối thực vật và bùn phân hủy có giá trị kinh tế cao

Bãi lọc trồng cây là những khu vực có mức nước cao hơn hoặc bằng so với mặt đấttrong thời gian dài, đủ để duy trì tình trạng bão hòa của đất và sự phát triển của các visinh vật, thực vật sống trong môi trường đó Những vùng đất ngập tự nhiên có thể sửdụng để làm sạch nước thải nhưng có những hạn chế trong quá trình vận hành như khókiếm soát được chế độ thủy lực, gây ảnh hưởng xấu bởi thành phần nước thải tới môitrường xung quanh Công nghệ xử lý đất ngập nước nhân tạo sẽ khắc phục nhữngnhược điểm của bãi đất ngập nước tự nhiên Hình dạng của bãi lọc thường là nhữngkênh dài và hẹp, chiều sâu lớp nước nhỏ, vận tốc dòng chảy chậm và thân cây trồngnhô lên khỏi bãi lọc để tạo chế độ thủy lực dòng chảy tầng

1.2 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1.2.1 Giới thiệu chung về vi tảo

a Khái niệm

Vi tảo (Microalgae) là tất cả các tảo (Algae) có kích thước hiển vi Muốn quan sátchúng phải sử dụng tới kính hiển vi Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì

vi tảo chiếm đến khoảng 2/3

Có rất nhiều hệ thống phân loại của các nhà nghiên cứu như hệ thống của Harvey(1836) chia thành 4 ngành theo hình thái và màu sắc : Tảo Silic, tảo Lục, tảo Đỏ, tảoNâu; hệ thống của Smith (1933, 1950, 1962) dựa vào số lượng tế bào, sắc tố, roi, cấutrúc tế bào để phân loại thành 8 ngành: tảo Lục, tảo Mắt, tảo Vàng Ánh, tảo Nâu, tảoGiáp, tảo Lam, tảo Đỏ và Chloromonadaphyta Theo hệ thống phân loại của PeterPancik thì vi tảo chủ yếu thuộc về các chi trong các ngành sau đây:

 Ngành Tảo lục (Chlorophyta): Các chi Closterium, Coelastrum,

Dyctyosphaerium, Scenedesmus, Pediastrum, Staurastrum, Dunaliella, Chlamydomonas, Haematococcus, Tetraselmis, Chlorella,

 Ngành Tảo lông roi lệch (Heterokontophyta) : Các chi Melosira, Asterionella,

Cymatopleurra, Somphonema, Fragilaria, Stephanodiscus, Navicula, Malomonas, Dinobryon, Peridinium, Isochrysis, Chaetoceros, Phaeodactylum, Skeletonema, Nitzschia

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

Ceratium

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

Phương thức dinh dưỡng của tảo được phần thành hai loại chính là quang tựdưỡng (photoautotrophy) và dị dưỡng (heterotrophy) Dạng trung gian của hai hìnhthức trên là tạp dưỡng (mixotrophy) Vi tảo sử dụng CO2 và ánh sáng để tổng hợp cácchất hữu cơ cho quá trình sinh trưởng và phát triển

Hình thức sinh sản của vi tảo nói chung bao gồm 3 phương thức sinh sản :

 Sinh sản sinh dưỡng: thực hiện bằng cách phân chia tế bào hoặc các tập đoànphân chia thành các tập đoàn mới Đây là hình thức sinh sản chủ yếu của các

vi tảo đơn bào

 Sinh sản vô tính: là hình thức sinh sản phổ biến ở tảo thông qua sự hìnhthành các bào tử chuyên hóa, các bào tử này có khả năng chuyển động vàđược gọi là động bào tử

 Sinh sản hữu tính: những bào tử chuyên hóa gọi là giao tử thực hiện quá trìnhsinh sản hữu tính

Vi tảo vai trò rất quan trọng trong tự nhiên và trong đời sống nhân loại Trong cácthủy vực nước ngọt tảo cung cấp ôxy và hầu hết là thức ăn sơ cấp cho cá và các độngvật thủy sinh khác Tảo góp phần bảo vệ môi trường nuôi thủy sản bằng cách tiêu thụbớt lượng muối khoáng dư thừa cũng như xử lý nước thải bằng cách biến đổi chất ônhiễm thành chất dinh dưỡng cho vi tảo Nhiều tảo đơn bào được nuôi trồng côngnghiệp để tạo ra những nguồn thức ăn cho ngành nuôi tôm hay thuốc bổ trợ giàuprotein , vitamin và vi khoáng dùng cho người Một số vi tảo được dùng để sản xuấtcarotenoid, astaxanthin, các acid béo không bão hòa Tảo silic tạo ra các mỏ diatomid,

đó là loại nguyên liệu xốp, nhẹ, mịn được dùng trong nhiều ngành công nghiệp

Sinh khối vi tảo được xem là nguồn thức ăn tự nhiên giàu chất dinh dưỡng, mà cónhững loại thức ăn nhân tạo không thể đáp ứng được Với hàm lượng protein, vitamin,

vi lượng dồi dào, sinh khối vi tảo được sử dụng làm thức ăn cho tu hài, ngọc trai, ấutrùng tôm, cá giống Tảo còn có thể sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc phân bón

Sinh khối vi tảo được dùng để sản xuất dược phẩm bởi chứa các axit amin quantrọng, các protein quan trọng, có liên quan đến quá trình trao đổi chất hoặc có caragen

- một chất ổn định hóa được sử dụng trong mỹ phẩm

Đặc biệt, vi tảo được xem là nguồn nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 3 với hàm lượnglipid trong tế bào khi quang hợp với khả năng tạo ra năng lượng gấp 7 - 30 lần so vớicác thế hệ nhiên liệu sinh học trước trên cùng một diện tích nuôi trồng.[9]

Hình 1.10 Ứng dụng của vi tảo trong sản xuất nhiên liệu sinh học

Qua các nghiên cứu, vi tảo được đánh giá là nguồn sinh khối cho hiệu suất thudầu cao, trong quá trình canh tác vi tảo không chiếm dụng đất nông nghiệp, lại có khảnăng thích ứng cao với nhiều loại môi trường, dễ nuôi trồng trong các môi trườngnước ngọt, nước mặn, nước lợ đồng thời có khả năng hấp thụ khí CO2 Các loại nhiênliệu điều chế từ sinh khối vi tảo có thể là ethanol sinh học, methane sinh học, dieselsinh học, dầu sinh học, hydro sinh học Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu vitảo còn tạo ra các phụ phẩm là bã rắn dùng để làm thức ăn chăn nuôi, làm phân bón, ủ

để tạo thành khí biogas

Trong số các loại tảo xanh chúng được biết đến như loại vi tảo có năng suất sinhkhối cao, được các nhà khoa học tích cực nghiên cứu trong việc sản xuất dầu diesel

sinh học Scenedesmus và các loài vi tảo khác như Chlorella, Dunaliella,

Chlamydomonas và Spirulina chứa lượng lớn carbohydrate (> 50% trọng lượng khô).

b Các giai đoạn phát triển đặc trưng của vi tảo

Sự tăng trưởng của tảo nuôi trong điều kiện vô trùng được đặc trưng bới 5 phađược thể hiện ở hình bên dưới

Hình 1.11 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của vi tảo

1- Pha chậm2- Pha tăng trưởng3- Pha tăng trưởng chậm4- Pha ổn định

5- Pha suy tàn

1- Pha chậm: Vi tảo sinh trưởng chậm, mật độ tế bào tăng ít do phải thích nghi

dần với môi trường sống mới

2- Pha tăng trưởng: Mật độ tế bào tăng nhanh theo hàm số mũ.

3- Pha tăng trưởng chậm: Tốc độ phân chia tế bào chậm lại khi chất dinh

dưỡng, ánh sáng, pH, CO2hoặc các yếu tố lý hóa khác bắt đầu hạn chế sự sinhtrưởng

4- Pha ổn định: Mật độ tế bào ổn định, ít thay đổi do các yếu tố gây hạn chế và

tốc độ sinh trưởng ở trạng thái cân bằng

5- Pha suy tàn: Chất lượng môi trường xấu đi, các chất dinh dưỡng suy kiệt

đến mức không thể duy trì được sự sinh trường, mật độ tế bào giảm mạnh

c Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi tảo

Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi tảo thông qua hai cơ chế: (1) nhiệt

độ tác động lên cấu trúc tế bào và (2) Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng trao đổichất[16] Mỗi loài tảo thích hợp với nhiệt độ tối ưu và biên độ nhiệt khác nhau tùy theoloài Chính vì vậy, việc chọn các chủng loại tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năngsuất tảo Nhiệt độ thấp ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của tảo

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nuôi tảo trong khoảng từ 18oC – 25 oC, có thể thayđổi tùy theo thành phần môi trường nuôi, loài nuôi và dòng nuôi Nhìn chung các loàitảo nuôi thường chịu được nhiệt độ trong khoảng 16oC – 30oC Nhiệt độ thấp hơn

16oC sẽ làm chậm sự tăng trưởng [17,18], trong khi đó nhiệt độ tăng cao hơn 35 oC sẽgây bất lợi cho một số loài

pH

Một thông số quan trọng của môi trường là pH vì pH xác định độ hòa tan của CO2

và muối khoáng ảnh hưởng tới khả năng phân ly muối và các phức chất, tính hòa tancủa các muối kim loại Như vậy, pH gián tiếp ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi tảo.Thông số này lại phụ thuộc vào thành phần khả năng đệm của môi trường, nhiệt độcũng như hoạt tính trao đổi chất của tế bào tảo Hầu hết các giống tảo được nuôi trongmôi trường đều có giá trị pH nhất định Thông thường khoảng pH cho phép là 7 – 9 vàtheo nhiều tài liệu pH tối ưu là 8,2 – 8,7

Ở điều kiện pH cao hay thấp đều ức chế sinh trưởng của vi tảo, nên pH phải đượcđiều chỉnh tới giá trị tối ưu nhưng đảm bảo hạn chế sự thất thoát cacbon bằng cách bổsung vào môi trường CO2hoặc NaHCO3

Sự hấp thu các dạng nitơ của vi tảo cũng ảnh hưởng đến pH trong môi trường Quátrình đồng hóa các ion nitrat sẽ làm tăng pH, gây ra kết tủa photphat trong môi trường

và cần phải giảm pH để tránh xảy ra hiện tượng trên Nghiên cứu ảnh hưởng của pH

đến sự phát triển của vi tảo, Hodaifa và cộng sự [19] thấy rằng, tốc độ sinh trưởng của

vi tảo Scenedesmus obliquus là tối ưu khi pH trung bình không đổi.

Ánh sáng

Việc cung cấp ánh sáng cho nuôi tảo là vấn đề thiết yếu Giống như tất cả các loàithực vật bậc thấp khác, hệ số sử dụng năng lượng ánh sáng ở tảo cao hơn ở thực vậtbậc cao, có nghĩa là chúng hấp thụ cacbon vô cơ để chuyển hóa thành cacbon hữu cơ.Nhiều loại vi tảo quang hợp bão hòa ở khoảng 33% tổng lượng cường độ chiếu sáng

Vì vậy, trong điều kiện ánh sáng có cường độ cao và thời gian chiếu sáng dài, người tathấy xuất hiện hiện tượng quang ức chế có thể làm tảo chết hoặc làm giảm đáng kểnăng suất nuôi trồng

Trong môi trường nước thải, ánh sáng sẽ bị ảnh hưởng khi có hàm lượng cặn cao,ngăn cản vi tảo nhận ánh sáng, quang hợp và phát triển Để giải quyết được vấn đề nàythì độ sâu mực nước phải đảm bảo cho ánh sáng xuyên quá đến lớp nước dưới cùng,thường là 15 - 50 cm [20] Friedman và cộng sự [21]quan sát thấy rằng cường độ ánhsáng cao có xu hướng gia tăng sản xuất polysaccharide trong tế bào vi tảo

Độ mặn

Nồng độ NaCl ảnh hưởng đến cơ chế điều hòa áp suất thẩm thấu, hoạt tính quanghợp và hô hấp của tế bào tảo Tùy mỗi loài có khả năng chịu được nồng độ muối caohay thấp, khả năng chịu được nồng độ muối cao là do chúng có cơ chế thích nghi nhưsinh ra Glycerol, sucrose, prolin hoặc tích lũy bate-caroten để điều hòa áp suất thẩmthấu và duy trì cân bằng nội môi

Nguồn Cacbon

Hầu hết vi tảo sử dụng nguồn cacbon vô cơ trong môi trường nước dưới nhiềudạng, nhưng chủ yếu là : HCO3-và CO2 [22,23] Đặc biệt, khí CO2lại được vi tảo sử dụngtrực tiếp thông qua quá trình quang hợp Các dạng này tồn tại theo các phản ứng thuậnnghịch trong nước và xâm nhập vào tế bào tảo nhờ sự vận chuyển tích cực hay nhờ tácđộng của enzym cacbonhydrase (CA):

nồng độ CO2 ảnh hưởng đáng kể cho qua trình sinh trưởng của vi tảo, tùy từng loài vitảo mà khả năng chịu được nồng độ CO2khác nhau.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằn khoảng 25 - 50% Cacbon trong vi tảo chính lànguồn cacbon hữu cơ [23] Ngoài ra, vi tảo còn có khả năng đồng hóa nguồn cacbonhữu cơ từ axetat, đường glucoso, saccarose [23-27] Do đó, người ta có thể sử dụngphương pháp dị dưỡng để nuôi và thu sinh khối tảo

CO2 trong không khí được vi tảo sử dụng nhờ quá trình khuếch tán vào nước[28].Tuy nhiên, nồng độ CO2 này rất thấp (0,033%) không đủ cho sự phát triển của vi tảonên việc bổ sung thêm CO2nguyên chất rất cần thiết [29,30] Tuy nhiên, khi sục CO2 vàonước sẽ làm giảm pH trong môi trường và khi pH lớn hơn 9, hầu hết HCO3- chuyểnthành CO32-- dạng hợp chất vi tảo không thể sử dụng được [23]

Hình 1.12 Mối liên hệ giữa sự chuyển hóa các dạng cacbon vô cơ và giá trị pH

Nguồn Nitrogen

Nito chiếm từ 1 - 10% trọng lượng khô của tế bào vi tảo [29] Các loài vi tảo đều cókhả năng sử dụng nito vô cơ dưới dạng : NO3-, NH4+ [31]hay nguồn nito hữu cơ: axitamin, ure, amid, asparagin …[32].Tuy nhiên, khi nguồn NH4+ được sử dụng như nguồn

nitơ duy nhất với nồng độ > 20mg/l có trong môi trường thì pH sẽ giảm rất nhanh, gâytác động tiêu cực đến sự phát triển của vi tảo [23] Ngoài các hợp chất nitơ, ure(CO(NH2)2) và nitrit (NO2-) có thể sử dụng là nguồn nitơ nhưng tính độc cao hơn nên

ít được sử dụng[29]

Nguồn Phospho

Photpho được vi tảo sử dụng ở dạng PO43- để tổng hợp ATP, axit nucleit và cáchợp chất cấu tạo tế bào khác Sự hấp thu PO43-là quá trình tốn nhiều năng lượng đểchuyển đổi photpho hữu cơ khi môi trường thiếu photpho vô cơ Nếu môi trường nuôithiếu hoàn toàn photpho, quá trình quang hợp, sinh trưởng giảm mạnh, khi đó vi tảo cókhả năng đồng hóa các chất photpho dư thừa được lưu trữ trong tế bào dưới dạngpolyphotphate [25,31] Hơn nữa, vi tảo được nuôi trong môi trường nước thải sẽ chứahàm lượng photpho trong tế bào nhiều hơn mức bình thường

Kim loại nặng

Vi tảo cũng có khả năng phát triển trong môi trường nước thải có chứa kim loạinặng Các quy trình công nghiệp hay các hoạt động nông nghiệp luôn thải ra môitrường một số kim loại nặng rất khó loại bỏ và không dễ bị suy thoái Sự hấp thu tựnhiên kim loại nặng nhờ vi tảo cho thấy tiềm năng rất lớn của chúng Nhiều nghiêncứu cho thấy, vi tảo có khả năng hấp thu kim loại nặng có trong môi trường sống như

Cd, Cu, Ni, Cr và Au[33,34]

Chất dinh dưỡng - Môi trường nuôi cấy

Các môi trường dinh dưỡng dùng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinhdưỡng của từng loài tảo Việc xác định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡngcho một loài nào đó là vô cùng khó khăn Vì môi trường dinh dưỡng tối ưu phụ thuộcrất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng và pH môi trường

Các chất dinh dưỡng đa lượng bao gồm: nitrat, phosphat…Các nguyên tố vi lượngđược coi là không thể thay thế đối với sinh trưởng và phát triển của tảo là Fe, Mn, Cu,

Zn và Cl Những vi lượng khác có vai trò quan trọng đối với một số nhóm tảo là Co, B,Si…

Chế độ khuấy trộn

Trong quá trình nuôi tảo việc khuấy sục có tác dụng: giúp ngăn ngừa hiện tượngphân tầng nhiệt độ trong dịch nuôi, giúp tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng, ngănngừa tảo lắng xuống bể, cải thiện trao đổi khí giữa môi trường nuôi và không khí, quantrọng hơn là cung cấp CO2cho quá trình quang hợp

Trong trường hợp nuôi với mật độ cao, CO2từ không khí (chỉ chứa 0,03 % CO2)

sẽ làm hạn chế sinh trưởng của tảo Vì vậy việc bổ sung CO2 tinh khiết với tỉ lệ 1 %thể tích không khí Việc bổ sung CO2 có tác dụng giúp ổn định pH do cân bằng giữa

CO2và H2CO3

Yếu tố sinh học

Các nguồn gây ô nhiễm sinh học chủ yếu: Lây nhiễm vi khuẩn, nguyên sinh độngvật hoặc của các loài tảo khác là vấn đề khó khắc phục đối với việc nuôi cấy tảo thuầnchủng cũng như nuôi cấy vô trùng Các nguồn gây nhiễm phổ biến nhất gồm có môitrường nuôi (nước và các chất dinh dưỡng), không khí, bình nuôi và tình trạng giốngnuôi cấy ban đầu

d Một số hình thức nuôi vi tảo

Tảo có thể được sản xuất bằng cách áp dụng một loạt các phương pháp khác nhaubao gồm : hệ thống nuôi hở, kín, nuôi trong ao, bình, túi … diện tích nuôi rất đa dạngphụ thuộc vàp sự đầu tư, mục đích nuôi và nhiều yếu tố khác

Hệ thống nuôi tảo hở hoặc kín

Nuôi hở như nuôi ở các ao, hồ, bể nuôi không có mái che sẽ dễ bị nhiễm tạpbẩn hơn so với các dụng cụ nuôi kín như các ống nghiệm, bình tam giác, túi…

Nuôi sạch (vô trùng) hoặc không vô trùng

Nuôi vô trùng là nuôi không có bất kỳ sinh vật ngoại lai nào và đòi hỏi khửtrùng rất cẩn thận tất cả các dụng cụ thủy tinh, môi trường và các bình nuôi đểtránh nhiễm tạp Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế đối với quy mô côngnghiệp

 Chemostat (nuôi ở trạng thái hóa tính): môi trường nước được đưa vào hệthống nuôi tuần hoàn nhất định Một phần dung dịch mới liên tục được bổsung Hệ thống này thường đơn giản và ít tốn kém so với turbidostat.

Nuôi bán liên tục

Kỹ thuật nuôi bán liên tục kéo dài thời gian nuôi tảo, là một dạng nuôi theo mẻnhưng sinh khối được kiểm tra định kỳ và giữ ổn định bằng phương pháp phaloãng môi trường Nuôi bán liên tục có thể thực hiện trong nhà hoặc ở ngoài trời,nhưng thời gian nuôi thường không đoán trước được Do tảo nuôi không được thuhoạch toàn bộ mà thu hoạch từng phần nên phương pháp nuôi bán liên tục chokhối lượng tảo nhiều hơn so với phương pháp nuôi từng mẻ với cùng một kíchthước bể nuôi

1.2.2 Đặc điểm của vi tảo Scenedesmus dimorphus

b Hình thái

Scenedesmus dimorphus thuộc nhóm tảo Lục, tế bào màu xanh lá, đa bào thường

có 2, 4, 8 tế bào, đôi khi lên đến 16 - 32 tế bào, rất ít tế bào duy nhất Các tế bàothường có hình elip hẹp, đầu tế bào hơi nhọn, xếp thẳng thành hàng hoặc so le vớisườn dính sát nhau, có roi hoặc không roi Mỗi tế bào dài từ 5 - 27 µm và rộng từ 2 -

14 µm.[35]

Hình 1.14 Vi tảo Scenedesmus dimorphus

a Scenedesmus dimorphus phân lập từ phòng thí nghiệm

b Scenedesmus dimorphus lấy từ Algae Resource Database

Tế bào có cấu tạo gồm 3 phần chính : thành tế bào, tế bào chất và nhân tế bào.Thành tế bào cấu tạo từ Cellulose và không phân lớp rõ ràng Tế bào chất là nơi diễn

ra quá trình trao đổi chất của tế bào, nơi chứa các thành phần quan trọng như nước,protein, lipid, carbonhydrate, vitamin và một số chất vô cơ khác

Hơn nữa, tế bào chất của vi tảo còn chứa các bào quan để thực hiện chức năngsinh trưởng và phát triển, bao gồm : ty thể, thể golgi, lạp thể, ribosome, mạng lưới nộichất Đặc biệt là lục lạp - bào quan thực hiện chức năng quang hợp của vi tảo bởi có

chứa diệp lục tố (Chlorophyl a,b,c,d,e) tương đồng như ở thực vật bậc cao, chỉ khác vềhình dạng bào quan và sự sắp xếp của các lớp màng Thylakoid trong lục lạp.[10]

c Môi trường sống

Vi tảo Scenedesmus dimorphus phân bố nhiều ở dạng trôi nổi ở các tầng nước của

các thủy vực nước ngọt hoặc nước lợ Những nghiên cứu về sự phân bố của

Scenedesmus.sp đã được thực hiện từ rất lâu, chẳng hạn ở một số khu vực Bắc Mỹ và

Nam Mỹ có mặt loài tảo này rất phong phú hay sự hiện diện của vi tảo Scenedesmus

trên các thủy vực nước ngọt ở Tây Ban Nha, ở Trung Quốc … Ở Việt Nam, loài vi tảoxuất hiện nhiều ở các hồ Hoàn Kiếm [11], hồ Hòa Bình [36], các ao nuôi thủy sản khuvực Cần Thơ, An Giang…[12,13]

c Hình thức sinh sản và đặc tính sinh lý sinh hóa

Chúng sinh sản bằng phương thức sinh sản sinh dưỡng, phân cắt tế bào [14] Trongđiều kiện không cạnh tranh về ánh sáng và nguồn dinh dưỡng, từ tế bào mẹ, chúng

phân cắt thành những tế bào riêng lẻ và phát triển độc lập Scenedesmus là cơ thể dị

dưỡng, có khả năng sử dụng các chất hữu cơ (một số đường đơn và acetate) làm nguồncarbon

Scenedesmus là chi tảo gồm những loài rất ít khác nhau về đặc trưng sinh lý.

Kessler nghiên cứu cho thấy một số đặc điểm sinh lý sinh hóa như sau:[14]

 Do có hoạt tính hydroganese, loài Scenedesmus khi được chiếu sáng sẽ giải

phóng H2ở áp suất O2và H2 cục bộ thấp và khử CO2 bằng H2, H2S hoặc chấtcho H+ khác Trong tối, chúng tạo ra H2O và CO2 nhờ sử dụng các chất hữu

cơ, oxy hóa H2 bằng O2hoặc dùng H2 để khử NO2hoặc NO3-

 Sự hóa lỏng gelatin và thủy phân tinh bột chứng tỏ chúng thải ra protease vàamylase ngoại bào

 Thiếu N, P, Fe sẽ hình thành carotenoid thứ cấp

 Scenedesmus có tính chống chịu muối thấp

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của Scenedesmus [14]

Bảng 1.4 Hàm lượng vitamin của Scenedesmus.sp so với trứng (mg/g P khô) [14]

Bảng 1.6 Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus.sp [14]

Thành phần chất vô cơ mg100/g sinh khối

1.2.3 Cơ sở khoa học của quá trình xử lý nước thải bằng vi tảo

Tảo là một nhóm vi sinh vật lớn và đa dạng, chúng sống tự dưỡng , gồm một haynhiều tế bào có cấu tạo đơn giản Tảo sống hầu hết trong các môi trường nước ngọt,mặn, lợ Sinh khối tảo được ứng dụng nhiều trong thực tiễn như: nuôi trồng thủy sản,chiết xuất kháng sinh, sản xuất thực phẩm, sản xuất methane… Trong lĩnh vực môitrường, tảo có khả năng xử lý nước thải và khí thải nhờ quá trình hấp thụ các chất ônhiễm, làm sạch môi trường Do vậy, những năm gần đây, tảo được nghiên cứu và ứngdụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Tảo có khả năng quang hợp, tốc độ sinh trưởng nhanh, chịu đựng được sự thay đổicủa môi trường, có khả năng sống ở nhiều môi trường khác nhau thậm chí ở môitrường nước thải, mang giá trị dinh dưỡng cao Những đặc điểm quan trọng của vi tảo

đế ứng dụng xử lý nước thải như :

Biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng sử dụng trong cơ thể

Carotenoit trong tế bào vi tảo có nhiệm vụ hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trờirồi truyền năng lượng ánh sáng cho Chlorophyl biến đổi thành năng lượng hóa học.Sau đó, Chlorophyl sử dụng năng lượng phooton hấp thụ từ các phản ứng quang hóa

để hình thành các hợp chất dự trữ năng lượng và các hợp chất khử Khi đó, CO2 bị khử

để hình thành dạng carbon hữu cơ dưới dạng đường đơn Glucozo và tạo ra O2 Nguồnnăng lượng này sẽ cũng cấp cho mọi hoạt động của tế bào vi tảo

Tái sử dụng chất dinh dưỡng

Các hoạt động sinh học trong bể nuôi tảo là quá trình chuyển đổi các chất hữu cơ,

N, P trong nước thải thành các chất dinh dưỡng để tế bào tảo sử dụng thông qua nguồnnăng lượng từ quá trình quang hợp NH4+và NO3- là nguồn đạm chính cho vi tảo tổng

hợp nên protein của tế bào, ngoài ra chúng còn sử dụng nguồn đạm từ nguồn nito hữucơ: axit amin, ure, amid, asparagin … Phospho được vi tảo sử dụng để tổng hợp ATP,axit nucleit và các hợp chất cấu tạo tế bào khác.

Bên cạnh đó, nguồn O2 tảo thải ra cung cấp cho vi khuẩn hiếu khí hoạt động phângiải chất hữu cơ từ nước thải và cung cấp lại CO2, nguồn nito và photpho cho vi tảo

Hình 1.15 Quá trình chính trong hệ thống xử lý nước thải bằng tảo – vi khuẩn

(Fallowfield & Garrett, 1985)[38]

Tiêu diệt các mầm bệnh

Các mầm bệnh trong nước thải cũng bị tiêu diệt bởi các yếu tố sau:

 Sự thay đổi pH liên tục trong ngày của bể nuôi tảo do ảnh hưởng của quátrình quang hợp và quá trình sử dụng nguồn N, P

 Các chất được tế bào tảo tiết ra là độc tố tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh

 Sự tiếp xúc của mầm bệnh với tia UV từ ánh sáng mặt trời hay ánh sángnhân tạo

Để quá trình xử lý nước thải hiệu quả cao, bể xử lý bằng vi tảo phải đảm bảo một

số yếu tố cần thiết:

 Độ sâu của bể: cơ sở để lựa chọn độ sâu thích hợp là để tối ưu hóa khả nănghấp thu ánh sáng trong quá trình quang tự dưỡng của vi tảo Theo các cơ sở

lý thuyết thì độ sâu tối đa của ao tảo từ 4,5 - 5 inches (12,5 cm), nhưng thựcnghiệm trên mô hình cho thấy độ sâu tối ứu nằm trong khoảng 8 - 10 inches( 20 - 25cm) Tuy nhiên, khi thiết kế bể tảo xử lý nước thải nên chọn trongkhoảng 40 - 50 cm để tạo thời gian lưu nước thải thích hợp và trừ hao thểtích mất đi do phần cặn lắng.

 Thời gian lưu trong bể: Thời gian lưu nước thải tối ưu chính là thời gian cầnthiết để tảo sử dụng các chất dinh dưỡng trong nước thải thành chất dinhdưỡng trong tế bào và phát triển sinh khối tối đa

 Tải lượng chất ô nhiễm: năng suất tảo ảnh hưởng nếu tải lượng chất thải nạpquá cao trong bể xử l, môi trường trở nên yếm khí ảnh hưởng đến quá trìnhquang hợp cũng như quá trình cộng sinh của tảo và vi khuẩn hiếu khí

 Chế độ khuấy trộn và hoàn lưu: Để đảm bảo tất cả tế bào vi tảo đều tiếp xúc

đủ với ánh sáng và chất dinh dưỡng, quá trình khuấy trộn là rất cần thiết,nhằm giảm hiện tượng tảo lắng và ngăn quá trình phân tầng nhiệt độ trong bểtảo và quá trình yếm khí ở đáy bể

1.2.4 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

Đã có nhiều nghiên cứu khi sử dụng tảo xử lý nước thải có nguồn N, P (Mallick,N.,

2002) [39] Xinmiao Xu, Ying Shen, Jiacheng Chen (2014) [40] nghiên cứu khả năng xử lý

C/N/P và sản xuất lipid của tảo Scenedesmus trong nước thải chăn nuôi heo với hiệu

suất xử lý TN và TP là 88,16% và 73,98%

Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi heo của Sriram và R.

Seenivasan (2012) [41] chỉ ra rằng, Euglena viridis, Chlorella sorokiniana có thể phát triển tốt trong nước thải với nồng độ cao ( pha loãng 2 lần) trong khi Scenedesmus

obliquus lại phát triển trong môi trường có nồng độ nước thải pha loãng 8 lần Hiệu

quả loại bỏ Photpho khoảng 65% và loại bỏ Nitơ có hiệu suất cao hơn 20% Bên cạnh

đó, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Garrett et al (1987)[42]đề xuất tỉ lệ phaloãng nước thải là 1:1 phù hợp với sự phát triển của tảo, tuy nhiên, tỉ lệ 1:9 cho côngnghệ nuôi tảo ngoài trời có thể tăng diện tích bề mặt cần thiết để xử lý nước thải chănnuôi (100 con) từ 10 m2lên 100 m2

H J Fallowfied và cộng sự (1998) [43] nghiên cứu sử dụng tảo xử lý nước thảichăn nuôi heo với tải trọng 6,24 g/m2/ngày và chỉ ra rằng tảo có khả năng loại bỏ 78 –90% BOD5 Hơn nữa, các công trình nghiên cứu của C Y Kao và cộng sự (2012) [44] ;

C Yan và Z.Zheng (2013) [45] ; R Hendroko và cộng sự (2011) [46] cho thấy Chlorella

sp., Scenedesmus sp có khả năng sử dụng biogas Hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi

kết hợp biogas tăng 5 lần so với hệ thống không kết hợp biogas (L Travieso và cộng

sự, 1993) [47] Chlorella sp được sử dụng để cải thiệt chất lượng biogas với kết qua xử

lý CO2lên đến 97,07% (G Mann và cộng sự, 2009) [48]

Kamarudin và cộng sự (2013) [49] nghiên cứu khả xử lý sinh học kỵ khí trong

nước thải nhà máy dầu bằng cách sử dụng 2 loại vi tảo Chlorella vulgaris và

Scenedesmus dimorphus Kết quả cho thấy khả năng loại bỏ N-NH3-, N-NH4+, P-PO43-,

COD, BOD ở Scenedesmus lần lượt là 99,5%, 91,5%, 97,2%, 86% và 86,5 %, cao hơn nhiều so với Chlorella vulgaris với N-NH3-, N-NH4+, P-PO43-, COD, BOD ở

Scenedesmus lần lượt là 61,0%, 53,8%, 84,0%, 50,5% và 61,6 %.

Tại Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu bước đầu vể khả năng xử lý nước

thải bằng vi tảo Nghiên cứu tảo Chlorella xử lý nước thải ao cá tra với hiệu suất xử lý

N-NO3-, N-NH4+, P-PO43- lần lượt là 95,27%, 43,48% và 88,70% (Trần Chấn

Bắc,2013) [15] Dương Đức Tiến và cộng sự đã nghiên cứu công nghệ nuôi trồng vi tảo Spirulina platenis và dùng chúng trong nước thải của phân xưởng ure ở nhà máy phân

đạm Hà Bắc với diện tích bể nuôi tảo là 75 m2theo quy trình của Israel

Qua đó có thể kết luận rằng tảo hoàn toàn thích nghi và phát triển tốt trong môitrường nước thải có nồng độ Nitơ, Photpho cao và giảm lượng CO2 đáng kể từ biogas

Tuy nhiên, đối với vi tảo Scenedesmus dimorphus vẫn chưa được nghiên cứu sâu về

khả năng xử lý nước thải cũng như những ứng dụng về sinh khối của chúng

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Vi tảo Scenedesmus dimorphus

Vi tảo Scenedesmus dimorphus được phân lập từ tự nhiên (khu vực ao cá tra, tỉnh

An Giang) và nuôi cấy trong Phòng Thí Nghiệm Khoa Môi Trường thuộc Trường Đạihọc Tài Nguyên và Môi Trường TP Hồ Chí Minh với thời gian thực hiện từ tháng 11năm 2015 đến tháng 4 năm 2016 Sau khi phân lập, mẫu vi tảo được gửi định danhADN tại phòng xét nghiệm công ty Nam Khoa để xác nhận

Hình 2.1 Một số hình ảnh trong quá trình phân lập

Sau khi phân lập, vi tảo được nuôi trong điều kiện ánh sáng 800 - 1500 lux, nhiệt

độ khoảng 26 - 30oC, nồng độ CO210% với môi trường dinh dưỡng BG-11 Trong quátrình nuôi vi tảo để phục vụ cho thí nghiệm, ngoài việc kiểm soát những điều kiện trên,thì pH luôn được giữ trong khoảng 7 - 8,5 thông qua quá trình sục CO2

Hình 2.2 Vi tảo nuôi trong ống nghiệm

Vi tảo được nuôi từ ống nghiệm có thể tích 5ml đến mật độ thích hợp sẽ chuyểnsang thể tích nuôi lớn hơn và được bổ sung chất dinh dưỡng BG -11

Hình 2.3 Nuôi cấy vi tảo ở thể tích lớn