đánh giá khả năng sinh trưởng của vi tảo scenedesmus trong mô hình bể sinh học tạo sóng kết hợp xử lý nước thải sau hầm biogas

Mặt khác sử dụng vi tảo đang được mở rộng trong các lĩnh vực như dùng làm thức ăn bổ dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, đặc biệt là các ngành nuôi trồng thủy sản, nguồn phân bón si

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ABSTRACT

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2

2.1 Mục tiêu chung 2

2.2 Mục tiêu cụ thể 2

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

6.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 3

6.2 Phương pháp thực hiện 4

6.3 Phương pháp xử lý số liệu 5

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 5

8 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 6

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU HẦM BIOGAS 6

1.1.1 Một số vấn đề về Biogas 6

1.1.2 Thành phần – tính chất của nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas 7

1.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi được áp dụng 8

1.1.4 Các công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi 12

1.2 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO SCENEDESMUS VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 14

1.2.1 Giới thiệu chung về tảo và vi tảo 14

1.2.2 Khái quát về vi tảo Scenedesmus 21

1.3 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 28

1.3.1 Trên Thế Giới 28

1.3.2 Ở Việt Nam 29

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 31

2.1.1 Vi tảo Scenedesmus 31

2.1.2 Nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas 32

2.1.3 Môi trường 33

2.2 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 35

2.2.1 Nội dụng thực nghiệm 35

2.2.2 Bố trí thí nghiệm 36

2.2.3 Nguyên tắt hoạt động 37

2.2.4 Quá trình thí nghiệm 38

2.2.5 Phương pháp xác định các chỉ tiêu 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 THÍ NGHIỆM 1: XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

CHLOROPHYLL a TRONG DUNG DỊCH VI TẢO SCENEDESMUS 45

3.1.1 Cơ sở thí nghiệm 45

3.1.2 Mục đích thí nghiệm 45

3.1.3 Bố trí thí nghiệm 45

3.1.4 Kết quả 45

3.1.5 Diễn biến nồng độ Chlorophyll a trong thí nghiệm nuôi tảo ở 2 mẻ nuôi trong nước thải 75% 47

3.2 THÍ NGHIỆM 2: XÁC LẬP PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY TƯƠNG QUAN GIỮA MẬT ĐỘ TẾ BÀO TẢO VÀ MẬT ĐỘ QUANG (OD) 50

3.2.1 Ảnh hưởng của môi trường nước thải 75% lên mật độ quang (OD) ở hai mẻ nuôi 50

3.2.2 Sự tương quan giữa mật độ tế bào tảo và mật độ quang trong thí nghiệm nuôi tảo của môi trường nước thải 75% theo mẻ 15 ngày 52

3.3 THÍ NGHIỆM 3: KHẢO SÁT TỐC ĐỘ TĂNG TRƯỞNG VÀ ĐIỀU KIỆN NUÔI CHO VI TẢO SCENEDESMUS TRONG MÔI TRƯỜNG THỬ NGHIỆM 54 3.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo 54

3.3.2 Diễn biến mật độ tế bào vi tảo trong môi trường thử nghiệm ở 2 mẻ nuôi

59

3.3.3 Xác định tổng lượng tế bào tảo sinh ra trong toàn chu kì nuôi thí nghiệm

63

3.3.4 Mức tiêu thụ COD trên một triệu tế bào vi tảo Scenedesmus tại bể nuôi 66 3.3.5 Xem xét đường cong tăng trưởng ở các mẻ nuôi thử nghiệm 69

3.3.6 Đánh giá sự tương quan giữa mật độ tế bào và sinh khối vi tảo 71

3.4 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN ACID BÉO TRONG VI TẢO SCENEDESMUS DIMORPHUS ĐỂ LÀM XĂNG SINH HỌC 73

3.5 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

1 KẾT LUẬN 77

2 KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 82

PHỤ LỤC A HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM 83

PHỤ LỤC B XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CHLOROPHYLL A BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG 87

PHỤ LỤC C KÊT QUẢ THÍ NGHIỆM 89

PHỤ LỤC D KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỊNH DANH VI TẢO SCENEDESMUS DIMORPHUS 100

PHỤ LỤC E KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN ACID BÉO VI TẢO SCENEDESMUS DIMORPHUS 101

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

8

Bảng 1.2 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý biogas khu chuồng lợn thịt 8

Bảng 1.3 Phân lọai các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi 9

Bảng 1.4 Thành phần hoá học của vi tảo Scenedesmus 24

Bảng 1.5 Hàm lượng vitamin của Scenedesmus.sp so với trứng 24

Bảng 1.6 Thành phần sinh khối khô của vi tảo 25

Bảng 1.7 Năng suất Scenedesmus nuôi cấy tự dưỡng lâu dài ngoài trời 26

Bảng 1.8 Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus 26

Bảng 2.1 Các thành phần dinh dưỡng trong môi trường BG – 11 33

Bảng 2.2 Thời gian phân tích mẫu trong thí nghiệm ở 2 nghiệm thức nuôi thử nghiệm 40

Bảng 3.1 Kết quả nồng độ Chlorophyll a trong môi trường BG - 11 đo được từ phòng thí nghiệm 46

Bảng 3.2 Phương trình hồi quy tương quan tuyến tính giữa mật độ quang OD và mật độ tế bào tảo trong môi trường thử nghiệm 50

Bảng 3.3 Các thông số điều kiện ban đầu nuôi vi tảo Scenedesmus 54

Bảng 3.4 Mức độ tiêu thụ COD trên một tế bào vi tảo Scenedesmus trong các thí nghiệm nuôi 66

Bảng 3.5 Mức tiêu thu COD trên một tế bào vi tảo S Dimorphus theo từng giai đoạn trên môi trường thí nghiệm 68

Bảng 3.6 Tốc độ tăng trưởng sinh học của vi tảo S Dimorphus trong môi trường nước thải 75% ở hai mẻ nuôi 69

Bảng 3.7 Thành phần acid béo của vi tảo Scenedesmus dimorphus 73

Bảng 3.8 Thành phần acid béo của vi tảo Scenedesmus sp 74

Bảng Phụ Lục 1 Kết quả đo nồng độ Chlorophyll a ở môi trường thí nghiệm của hai nghiệm thức 89

Bảng Phụ Lục 2 Kết quả đo sinh khối tế bào và Chloropphyll a trong môi trường thí

nghiệm 89

Bảng Phụ Lục 3 Kết quả thí nghiệm OD trong mẻ 1 thử nghiệm 90

Bảng Phụ Lục 4 Kết quả thí nghiệm OD trong mẻ 2 thử nghiệm 91

Bảng Phụ Lục 5 Sự thay đổi các thông số vật lý trong môi trường thử nghiệm 92

Bảng Phụ Lục 6 Diễn biến mật độ tế bào trong hai nghiệm thức nuôi thí nghiệm 94

Bảng Phụ Lục 7 Diễn biến tổng lượng tế bào ở hai nghiệm thức của thí nghiệm 96

Bảng Phụ Lục 8 Phần trăm tổng lượng tế bào mẻ 2của từng bể thí nghiệm trong môi trường thử nghiệm 97

Bảng Phụ Lục 9 Phần trăm tổng lượng tế bào mẻ 2của từng bể thí nghiệm trong môi trường thử nghiệm 98

Bảng Phụ Lục 10 Kết quả thí nghiệm giữa mật độ tế bào mẻ 1và sinh khối khô trong môi trường thử nghiệm 99

Bảng Phụ Lục 11 Kết quả thí nghiệm giữa mật độ tế bào mẻ 2 và sinh khối khô trong môi trường thử nghiệm 99

Bảng Phụ Luc 12 Sự thay đổi nồng độ COD (mg/L) trong quá trình nuôi thử nghiệm99

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 (A) Hầm sinh khí kiểu vòm cố định; (B) Hầm sinh khí có nắp đậy di động;

(C) Hầm sinh khí dạng túi 6

Hình 1.2 Quá trình lên men kỵ khí 7

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp sinh học 12

Hình 1.4 Dây chuyền công nghê xử lý chất thải chăn nuôi kết hợp sản xuất khí sinh học cho cơ sở chăn nuôi gia súc quy mô nhỏ gia đình 13

Hình 1.5 Dây chuyền công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi kết hợp cho các cơ sở chăn nuôi thương phẩm quy mô vừa và lớn 13

Hình 1.6 Năm pha sinh trưởng của tảo 16

Hình 1.7 Hình ảnh Scenedesmus dimorphus lấy từ Algae Resource Database 22

Hình 1.8 Scenedesmus dimorphus phân lập từ phòng thí nghiệm 22

Hình 2.1 Vi tảo Scenedesmus được nuôi trong ống nghiệm 31

Hình 2.2 Nuôi cấy vi tảo ở thể tích lớn 32

Hình 2.3 Nguồn nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas dạng HDPE 33

Hình 2.4 Nội dung thực nghiệm 35

Hình 2.5 Bể điều hòa trong mô hình 36

Hình 2.6 Bể nuôi vi tảo trong mô hình 36

Hình 2.7 Bể lắng trong mô hình 37

Hình 2.8 Dung dịch Chlorophyll a sau khi tiến hành thí nghiệm ngâm chiết và quay ly tâm 38

Hình 2.9 Vi tảo được pha loãng trên môi trường nước thải 39

Hình 2.10 Sử dụng kính hiển vi để đếm mật độ tế bào vi tảo 41

Hình 2.11 Hình ảnh vi tảo trước và sau sấy khi tiến hành thu sinh khối 42

Hình 2.12 Buồng đếm hồng cầu Neubauer 44

Hình 2.13 Các ô trong buồng đếm Neubauer 44

Hình 3.1 Biểu đồ phương trình hồi quy tương quan tuyến tính nồng độ Chlorophyll a của môi trường dinh dưỡng BG - 11 đo ở bước sóng 665 nm và thực hiện bằng phương pháp trắc quang 46

Hình 3.2 Diễn biến nồng độ Chlorophyll a (µg/L) theo ngày trong hai mẻ nuôi thí

nghiệm 47

Hình 3.3 Biểu đồ tương quan tuyến tính giữa sinh khối tế bào với nồng độ Chlorophyll a ở môi trường thử nghiệm 48

Hình 3.4 Biểu đồ tương quan tuyến tính giữa mật độ tế bào và mật độ quang OD tại một ngày trong chu kì nuôi thử nghiệm 51

Hình 3.5 Tương quan phi tuyến giữa mật độ tế bào tảo và mật độ quang OD trong môi trường thử nghiệm ở mẻ 1 52

Hình 3.6 Tương quan phi tuyến giữa mật độ tế bào tảo và mật độ quang OD trong môi trường thử nghiệm ở mẻ 2 52

Hình 3.7 Biểu đồ biểu diễn biến động của độ pH trong 2 mẻ nuôi 54

Hình 3.8 Biểu đồ biểu diễn biến động của nhiệt độ trong 2 mẻ nuôi 55

Hình 3.9 Biểu đồ biểu diễn biến động của độ đục trong 2 mẻ nuôi 56

Hình 3.10 Biểu đồ biểu diễn biến động của cường độ ánh sáng trong 2 mẻ nuôi 57

Hình 3.11 Diễn biến mật độ tế bào vi tảo Scenedesmus trong môi trường thử nghiệm ở mẻ 1 59

Hình 3.12 Diễn biến mật độ tế bào vi tảo Scenedesmus trong môi trường thử nghiệm ở mẻ 2 61

Hình 3.13 Diễn biến tổng lượng tế bào tảo sinh ra trong toàn chu kì của 2 mẻ nuôi thí nghiệm 63

Hình 3.14 Phần trăm mật độ tế bào trong toàn chu kì của hai nghiệm thức trong thí nghiệm 64

Hình 3.15 Tổng lượng tế bào trong toàn chu kì nuôi giữa 3 bể trong thí nghiệm 64

Hình 3.16 Diễn biến mức tiêu thụ COD trên một tế bào của vi tảo S dimorphus ở các thí nghiệm nuôi 67

Hình 3.17 Diễn biến tốc độ tăng trưởng trên môi trường nuôi thử nghiệm 70

Hình 3.18 Biểu đồ phương trình hồi quy tương quan tuyến tính giữa mật độ tế bào và sinh khối vi tảo 71

Hình 3.19 Tảo ở mẻ 1 và Tảo ở mẻ 2 72

Hình PL 1.1 Các thiết bị thí nghiệm 83

Hình PL 1.2 Bộ lọc chân không và Tủ sấy UNE 500 84

Hình PL 1.3 Máy ly tâm lạnh và Bình hút ẩm 84

Hình PL 2.1 Tảo Scenedesmus được nuôi trong môi trường thí nghiệm sau 15 ngày 85 Hình PL 2.2 Tảo Scenedesmus được phân lập trong các bình erlen 85

Hình PL 2.3 Tảo Scenedesmus trước và sau sấy 86

Hình Pl 2.4 Sinh khối vi tảo Scenedesmus sau sấy của cuối mỗi chu kì nuôi 86

DANH MỤC VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá sinh hoá

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá hoá học

LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện

LOQ Limit of Quantitation Giới hạn định lượng

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, ở Việt Nam nước thải chăn nuôi (đặc biệt là lợn) chủ yếu được xử lý bằng hầm phân hủy yếm khí (hầm biogas), sau quá trình này các thành phần gây ô nhiễm môi trường vẫn còn ở mức rất cao Việc tiếp tục xử lý nước thải sau hầm biogas trước khi thải ra môi trường là rất cần thiết và cần phải xử lý đồng thời nhiều tác nhân gây ô nhiễm, đặc biệt là chất hữa cơ, nitơ và phốt pho Có nhiều giải pháp kỹ thuật được triển khai nghiên cứu và ứng dụng tùy theo quy mô

Trên thế giới và ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi nhưng đem lại hiệu quả chưa thực sự cao, vì vậy cần phải tiến hành nghiên cứu một hệ thống hay cách thức xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm biogas vừa đạt hiệu quả môi trường, vừa đạt hiệu quả kinh tế và tận dụng được nguồn dinh dưỡng dồi dào cung cấp cho sinh vật phát triển Từ lý do đó, việc tận dụng nguồn nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas làm môi trường nuôi trồng cho vi tảo tăng trưởng và kết hợp phục vụ xử lý nước thải là rất cần thiết, có triển vọng phát triển và tính ứng dụng thực tế cao trong tương lai Nuôi trồng và sản xuất tảo trên diện rộng sẽ có rất nhiều hữu ích với nhiều điểm nổi bật như:

- Môi trường sống đa dạng, có mặt trên mọi lục địa, tảo dễ dàng thích nghi vào mọi môi trường vật lý nơi chúng có thể thu năng lượng từ quang học và quá trình hấp thụ carbon hữu cơ, đặc biệt là khí CO2 trên mọi địa hình, mà không phải tốn kém hay cạnh tranh với đất trồng trong nông nghiệp và công nghiệp Môi trường sống phân bố rộng rãi trong đất, nước ngọt, nước lợ, nước mặn và cả trong suối nước nóng

- Tốc độ sinh sản nhanh, vòng đời ngắn, năng suất cao, hiệu số sử dụng ánh sáng cao, khả năng chuyển hóa cao, công nghệ sản xuất không phức tạp, đáp ứng cho sản xuất

- Tảo thích hợp để nuôi trồng và sản xuất đại trà ở quy mô công nghiệp, kết hợp với xử lý nước thải, tiết kiệm chi phí sản xuất, có giá trị kinh tế cao

- Trong nước thải giàu nguồn Nito và photpho là điều kiện tốt cho tảo phát triển Đây sẽ là tiền đề cho việc ứng dụng tảo vào việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao

- Vi tảo chứa nhiều chất béo và lượng dầu tương tự thành phần dầu thực vật Trong một số điều kiện nhất định, tảo có thể chứa lipit tới 85% trọng lượng khô Nhưng nhìn chung, hàm lượng của lipit trong sinh khối tảo dao động từ 20-40% chất khô Sinh khối của tảo có các chất có hoạt tính sinh học có giá trị dinh dưỡng có thể

làm thực phẩm chức năng cho người và động vật, nguồn phân bón sinh học cho cây trồng

- Khả năng sử dụng khí CO2 trong quá tình trao đổi chất của tảo cao, như vậy có thể góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính, tiến đến phát triển bền vững

Cho đến ngày nay xuất hiện hàng loạt các công nghệ nuôi trồng, thu hoạch chế biến sinh khối vi tảo Các loại công nghệ này đang không ngừng được hoàn thiện, hạ giá thành và nâng cao chất lượng sinh khối Mặt khác sử dụng vi tảo đang được mở rộng trong các lĩnh vực như dùng làm thức ăn bổ dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, đặc biệt là các ngành nuôi trồng thủy sản, nguồn phân bón sinh học, năng lượng sạch, nguồn các hóa chất trong công nghiệp và dược phẩm, xử lí môi trường

Do vậy, việc nghiên cứu đề tài: “Đánh giá khả năng sinh trưởng của vi tảo

Scenedesmus trong mô hình bể sinh học tạo sóng kết hợp xử lý nước thải sau hầm

Biogas” là rất cần thiết Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là tiền đề cho việc sử dụng

rộng rãi tảo Scenedesmus trong xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas và thu sinh

khối vi tảo nhằm phục vụ cho các mục đích khác

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu khảo sát đặc tính và tốc độ tăng trưởng của vi tảo Scenedesmus, kết

hợp thu sinh khối, phục vụ cho việc kết hợp xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas

và khả năng tái sử dụng của nước thải sau hầm Biogas

2.2 Mục tiêu cụ thể

- Khảo sát tốc độ tăng trưởng của vi tảo Scenedesmus trong một số môi trường

thử nghiệm nhằm tìm ra được môi trường tối ưu giúp cho vi tảo sinh trưởng và phát triển nhanh

- Xây dựng phương trình hồi quy tương quan xác định mật độ tế bào tảo nhanh chóng thông qua đo mật độ quang (OD)

- Khảo sát mật độ và sự phát triển của tảo qua xác định thông số Chlorophyll a

- Thu hoạch sinh khối vi tảo

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Giống tảo thuần Scenedesmus đã được phân lập và nuôi tại phòng thí nghiệm

Khoa Môi Trường – trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường thành phố Hồ Chí Minh

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu khảo sát về tốc độ sinh trưởng của vi tảo Scenedesmus Dimophus ở

quy mô phòng thí nghiệm

Địa điểm thí nghiệm: Phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường và Phòng B407 thuộc trường Đại học Tài nguyên và Môi Trường Tp Hồ Chí Minh

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Nội dung 1: Nghiên cứu, tổng hợp tài liệu

- Tổng quan về nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas

- Tổng quan về vi tảo Scenedesmus

- Tìm hiểu về các ứng dụng của vi tảo

- Tìm hiểu và nghiên cứu mô hình và các thí nghiệm nuôi vi tảo của khóa 01 (niên khóa 2012 – 2016)

 Nội dung 2: Lắp đặt mô hình thí nghiệm: bể nuôi thử nghiệm vi tảo kết hợp tạo

sóng

 Nội dung 3: Bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng sinh trưởng và thích nghi của

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

 Nội dung 4: Tiến hành và theo dõi thí nghiệm

- Thí nghiệm 1: Xác định phương trình phân tích Chlorophyll a trong dung dịch

vi tảo Scenedesmus

- Thí nghiệm 2: Xác lập phương trình hồi quy tương quan giữa mật độ tế bào tảo

và mật độ quang (OD)

- Thí nghiệm 3: Khảo sát tốc độ tăng trưởng và điều kiện nuôi cho vi tảo

Scenedesmus trong môi trường nước thải 75%

- Thí nghiệm 4: Phân tích thành phần acid béo trong vi tảo Scenedesmus để làm

xăng sinh học

 Nội dung 5: Thu thập kết quả , xử lý số liệu và giải phát đề xuất

- Ghi nhận và tính toán xử lý kết quả thí nghiệm

- Đánh giá khả năng sinh trưởng và thích ứng của vi tảo Scenedesmus thông qua

sự tương quan giữa các thông số khảo sát trong môi trường nước thải sau hầm Biogas

- Đề xuất các giải pháp hỗ trợ sinh trưởng và tăng sinh khối của vi tảo trong quá trình nuôi trồng

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

6.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, kết hợp với nghiên cứu tìm hiểu về

mô hình và các thí nghiệm của khóa 01 (niên khóa 2012 – 2016) có liên quan để làm

cơ sở cho việc nghiên cứu

6.2 Phương pháp thực hiện

6.2.1 Phương pháp bảo quản giống

Vi tảo được bảo quản ở môi trường lỏng và lưu trữ trong tủ lạnh suốt quá trình sử dụng

6.2.2 Phương pháp nhân giống

Tiến hành nhân giống vi tảo Scenedesmus trong môi trường dinh dưỡng từ thể tích

nhỏ (ống nghiệm 20 mL) sang thể tích lớn hơn (erlen 250 mL, erlen 500 mL)

Khu vực nhân giống được bố trí đèn chiếu sáng 800 – 1500 Lux , phổ phát xạ nằm trong khoảng từ 400 – 550 nm và sục khí liên tục, nhiệt độ được khống chế từ 27 –

32oC Trong quá trình nhân giống cần theo dõi mật độ vi tảo

6.2.3 Phương pháp xây dựng phương trình hồi quy tương quan

Để xác định mật độ tế bào tảo bằng phương pháp đo mật độ quang (OD) và

Chlorophyll a, cần xây dựng được phương trình hồi quy tương quan Phương trình hồi

quy tương quan được tiến hành như sau:

Pha loãng dung dịch tảo sau khi được nhân giống thành các mức khác nhau

Sử dụng phương pháp đếm mật độ tế bào tảo thực hiện đếm tế bào vi tảo ở từng mức pha loãng khác nhau bằng buồng đếm Neubauer

Sau đó dùng dịch môi trường nuôi tảo làm mẫu trắng và quét mẫu dịch tảo ở bước sóng 438 nm, tìm được sự tương quan Xây dựng phương trình hồi quy tương quan dựa trên kết quả đếm tế bào và đo quang

Dùng phần mềm Excel và SPSS tiến hành xác lập phương trình hồi quy tương

quan giữa mật độ tế bào tảo với OD và với nồng độ Chlorophyll a

6.2.4 Phương pháp nuôi trồng vi tảo

Vi tảo Scenedesmus được nuôi trồng trên môi trường nước thải 75% trong 15

ngày Theo dõi tốc độ tăng trưởng và tiến hành thu hoạch sinh khối

Tiến hành nuôi vi tảo trong bể nuôi với thể tích nuôi là 35 Lit, mật độ tảo ban đầu

là 3.200.000 tế bào/ml Lắp đèn chiếu sáng với cường độ từ 1700 – 2100 Lux, phổ phát xạ năm trong khoảng từ 400 – 550 nm và sục khí theo điều kiện nuôi Kiểm tra mật độ tế bào tảo hằng ngày

6.2.5 Phương pháp xác định các chỉ tiêu

Sử dụng máy đo nhanh xác định các chỉ tiêu: độ đục, pH, nhiệt độ, cường độ ánh sáng

Mật độ tế bào tảo được xác định bằng phương pháp đếm sử dụng buồng đếm hồng cầu Neubauer, kính hiển vi và máy đếm cầm tay

6.2.6 Phương pháp đánh giá tốc độ tăng trưởng

Sử dụng phương pháp đếm mật độ tế bào, đo mật độ quang và xác định nồng

Chlorophyll a để đánh giá sinh trưởng của vi tảo

Với tảo Scenedesmus mật độ quang phù hợp đo ở bước sóng 438 nm (A Padovan, 1992)

Nồng độ Chlorophyll a được đo ở các bước sóng 664 nm, 750 nm, 630 nm, 647

nm theo cách phân tích số 10200 H trong Standard Method for the Examination of Water and Wastewater năm 2015

6.2.7 Phương pháp thu sinh khối

Thực hiện ly tâm tách tảo với tốc độ quay 13000 vòng/phút trong 10 phút Lấy mẫu đã ly tâm đem sấy ở 75oC trong 4 giờ, định lượng sinh khối khô vi tảo bằng cân điện tử

6.3 Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu được xử lý bằng phần mềm Excel và SPSS để so sánh và đánh giá các số liệu thu thập được trong quá trình tiến hành nghiên cứu

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Đề xuất hướng tiếp cận mới trong kĩ thuật xử lý nước thải kết hợp thu hồi sinh khối vi tảo thông qua việc theo dõi khả năng sinh trưởng và phát triển của vi tảo

Phân tích thành phần acid béo trong vi tảo sẽ tạo tiền đề cho mục tiêu chiết dầu làm xăng sinh học trong tương lai

8 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Vi tảo Scenedesmus dimorphus được nuôi trồng bằng nước thải giàu chất hữu cơ

từ nguồn nước sau hầm Biogas của trại chăn nuôi Việc xử lý nước thải chăn nuôi theo phương pháp sinh học bằng cách nuôi trồng vi tảo từ nước thải hữu cơ, không những vừa góp phần nâng cao khả năng tái sử dụng nước thải sau hầm biogas, vừa tạo nguồn sinh khối dồi dào có giá trị kinh tế, mà còn tiết kiệm chi phí cho việc xử lý nguồn nước thải gây ô nhiễm môi trường Đề tài nghiên cứu trên đây vừa mở ra hướng tiếp cận mới trong kỹ thuật xử lý nước thải phù hợp với xu hướng phát triển bền vững

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

1.1.1 Một số vấn đề về Biogas

Hai vấn đề cấp bách đang đặt ra cho xã hội hiện nay là sự cạn kiệt năng lượng và

ô nhiễm môi trường Ở các nước đang phát triển và các nước phát triển, Chính phủ và các nhà khoa học đang tìm nhiều nguồn năng lượng sạch thay thế dầu hóa, than đá, vì sản lượng tài nguyên là có hạn mà nhu cầu con người thì vô hạn Bên cạnh việc phát triển thì vấn đề ô nhiễm môi trường, trong đó ô nhiễm chất thải trong sinh hoạt và chăn nuôi đang được quan tâm khắc phục

Biogas là biện pháp giải quyết phần nào hai vấn đề trên bởi nó giúp chuyển các chất hữu cơ sang khí gas đốt trực tiếp để nấu ăn hoặc thắp sáng, hoặc sử dụng gián tiếp thành nhiên liệu cho các động cơ cung cấp điện năng, động năng Các nước có nhiều hầm ủ biogas như Trung Quốc 7- 8 triệu hầm khí gas, Ấn Độ 100.000 hầm, Hàn Quốc 29.000 hầm Phần lớn ở các nước đang phát triển người ta sử dụng hai hình thức thiết

kế cơ bản là: hầm sinh khí cố định, hầm sinh khí có nắp di động và hầm sinh khí dạng túi Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn sản sinh khí CH4 một loại từ 30 – 40oC và một loại ở 50oC – 60o(Thiện, 2001)

Hình 1.1 (A) Hầm sinh khí kiểu vòm cố định; (B) Hầm sinh khí có nắp đậy di

Phân hủy kỵ khí là một quá trình sinh học, các chất hữu cơ bị phân hủy trong điều kiện thiếu Oxy cuối cùng sẽ sinh ra khí gas Khí gas được sử dụng trong nấu ăn, sinh nhiệt,

sinh điện năng và bùn dinh dưỡng Quá trình này trải qua 3 giai đoạn (Carina C Gunnarsson and Cecilia Mattsson Petersen, 2005)

Hình 1.2 Quá trình lên men kỵ khí

Giai đoạn thủy phân: Các chất hữu cơ trong nước thải phần lớn là các chất hữu

cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate,… một vài chất dạng không hòa tan Các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào được sản sinh bởi các vi sinh vật, sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ hơn

Giai đoạn sinh acide: các chất hữu cơ sinh ra ở giai đoạn trên sẽ chuyển thành

acide acetic, H2, CO2 bởi vi khuẩn Acetogentic

Giai đoạn sinh Methane: các sản phẩm của giai đoạn sinh acid được chuyển đổi

thành methane Các vi khuẩn sinh methane sử dụng acid acetic, methanol, CO2, H2O

làm nguyên liệu sản sinh ra methane trong đó acid acetic là nguyên liệu chính (Huỳnh, 2003)

1.1.2 Thành phần – tính chất của nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas

Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có tính kiềm, chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ (BOD5 và COD cao), tổng lượng cặn rất lớn (trong đó lượng cặn hòa tan chiếm 70 – 85%), hàm lượng cặn lơ lửng lớn, hàm lượng nitơ, photpho cao Ngoài ra, nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều vi sinh vật, ký sinh trùng gây bệnh, nấm, và một số mầm bệnh khác Tùy vào quy mô từng trại chăn nuôi, giống heo, chế độ cho ăn cũng như khâu tắm heo 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 lý cũng thay đổi Trong nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải bằng bể biogas của một số trang trại chăn nuôi lợn vùng Đồng bằng Sông Hồng” tiến hành phân tích

một số chỉ tiêu hóa học của nước thải trước và sau hầm biogas cho thấy các chỉ tiêu ô

nhiễm ở hai khu chuồng lợn thịt và lợn nái khác nhau (Tôn và cộng sự, 2008)

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

Hải Dương Hưng yên Bắc Ninh

Trước XL Sau XL Trước XL Sau XL Trước XL Sau

Tiêu

Đơn

vị

Hải Dương Hưng yên Bắc Ninh

Trước XL Sau XL Trước XL Sau XL Trước

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

Nhiều báo cáo nghiên cứu đều đã khẳng định là hầu hết các chất thải trong chăn nuôi đều chưa được xử lý trước khi thải ra môi trường Số phân không được xử lý và

tái sử dụng lại là nguồn cung cấp phần lớn các khí nhà kính (chủ yếu là CO2, N2O) làm trái đất nóng lên, ngoài ra còn làm rối loạn độ phì của đất, gây phì dưỡng, ô nhiễm đất

và ô nhiễm nước Chưa kể nguồn khí thải CO2 phát tán do hơi thở của vật nuôi

Do không có sự quy hoạch ban đầu, nhiều xí nghiệp chăn nuôi, lò mổ, xí nghiệp chế biến thực phẩm còn nằm lẫn trong khu dân cư, trong các quận nội thành, sản xuất chăn nuôi còn nhỏ, manh mún, phân bố rải rác trong khi sản xuất nông nghiệp có lợi nhuận thấp, giá cả bấp bênh, thị trường không ổn định Vì vậy, sức đầu tư vào khâu xử

lý môi trường trong chăn nuôi còn thấp Số lượng các lò mổ đạt yêu cầu vệ sinh chỉ khoảng trên 30% Hiện tượng giết mổ lậu, giết mổ gia súc, gia cầm bị bệnh, không qua kiểm soát giết mổ, nước sử dụng chất thải từ các lò mổ không được kiểm soát cũng là nhân tố tác động làm tăng ô nhiễm môi trường

Ô nhiễm do chăn nuôi đặc biệt là chăn nuôi lợn không chỉ làm hôi tanh không khí

mà còn ảnh hưởng nặng tới môi trường sống dân cư, nguồn nước và tài nguyên đất ảnh hưởng chính đến kết quả sản xuất chăn nuôi Các hoạt động gây ô nhiễm do chăn nuôi vẫn đang tiếp tục diễn ra ở nhiều nơi trên cả nước Tình trạng chăn nuôi thả rông, chăn thả trên đất dốc, đầu nguồn nước, còn khá phổ biến góp phần làm tăng diện tích xói mòn, suy giảm chất lượng đất, nước, giảm thiểu khả năng sản xuất nông nghiệp trên vùng rộng lớn

Khối lượng chất thải rắn trong chăn nuôi ước tính khoảng hơn 85 triệu tấn mỗi năm nhưng chỉ khoảng 40% số này được xử lý, còn lại là xả thẳng trực tiếp ra môi trường Phương pháp xử lý chất thải rắn còn đơn giản: Chủ yếu được tận dụng làm thức ăn cho cá (phân lợn), ủ bán phân hoai mục bón lúa, hoa màu (phân lợn, trâu, bò, gia cầm), nuôi giun song số lượng không nhiều.Có thể phân lọai một số phương pháp

cơ bản xử lý nước thải chăn nuôi theo bảng 1.3 dưới đây

Bảng 1.3 Phân lọai các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi

Phương pháp Quá trình

Vật lý Dùng các tác nhân vật lý để tách thành phần rắn ra khỏi

dòng nước thải Hóa Học Dùng hóa chất để tách hoặc chuyển hóa các chất ô nhiễm Sinh học Dùng các tác nhân sinh học để tách hoặc phân giải, chuyển

hóa các chất ô nhiễm

a Các phương pháp vật lý xử lý nước thải chăn nuôi

Các phương pháp áp dụng các quá trình vật lý như sàng lọc, tách cơ học, trộn, khuấy, tủa nổi, tủa lắng, lọc hay hóa lỏng khí…nhằm loại bớt một phần cặn ra khỏi nước thải chăn nuôi, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học và sinh học ở phía sau được thực hiện tốt hơn Phương pháp vật lý thường được kết hợp với các phương pháp sinh học hay hóa học để tăng hiệu quả của các quá trình chuyển hóa và tách các chất cặn, chất kết tủa hay sau tuyển nổi…

b Các phương pháp hóa học xử lý nước thải chăn nuôi

Là phương pháp dùng các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa làm thay đổi bản chất chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi Các quá trình hóa học có thể áp dụng là: trung hòa, sử dụng các chất oxy hóa khử, kết tủa hay tuyển nổi hóa học, hấp phụ hóa học, tách bằng màng và khử trùng hóa học… Xử lý hóa học thường gắn với phương pháp xử lý vật lý hay xử lý sinh học Phương pháp xử lý hóa thường hạn chế

để tách các chất này ra khỏi nguồn nước người ta thường sử dụng các tác nhân tạo keo

tụ như phèn sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tụ, polymer hữu cơ… để tăng tính tủa, lắng hay tuyển nổi của các hạt rắn và keo trong hỗn hợp phân lỏng và cuối cùng tách chúng

ra khỏi dòng thải

Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2002) ở trại chăn nuôi heo 2 – 9, TP

Hồ Chí Minh, trong một hệ thống pilot được điều khiển tự động bằng một chương trình máy tính dựa trên chỉ tiêu tổng chất rắn (TS) đầu vào, có công suất xử lý khoảng

70 m3/ngày, nước thải từ chăn nuôi heo được xử lý keo tụ hóa học bằng FeSO4 7H2O hoặc điện hóa học Kết quả phân tích nước thải sau xử lý cho thấy 74% và 95% chất rắn lơ lửng được loại bỏ bằng các phương pháp tương ứng trên Keo tụ điện hóa học

có thể là một phương pháp đơn giản để xử lý nước thải chăn nuôi

Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải, tuy nhiên

do chi phí đầu tư xây dựng và giá thành vận hành cao nên chỉ được áp dụng cho các hộ chăn nuôi có diện tích trang trại hẹp và yêu cầu chất lượng nước thải ra nguồn cao Ngoài ra ở một số cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nước thải đòi hỏi mức độ sạch sinh học cao, người ta còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Phương pháp này thường gặp nhất là diệt trùng nước thải sau xử lý sinh học trước khi

xả ra nguồn tiếp nhận Có thể dùng khí clo hoặc các dẫn xuất của chúng như canxihydrocloride, clorua vôi, cloramine để khử trùng nước thải Khi vào nước, clo kết hợp với nước tạo ra acid HOCl là chất có tính oxy hóa mạnh, có tác dụng diệt khuẩn

và khử mùi Khi tính toán lượng Cl khử trùng trong các chế phẩm của nó, người ta tính clo hoạt tính theo phầm trăm (%) hoặc ppm lượng Cl hoạt tính cho vào nước thải

c Các phương pháp sinh học xử lý nước thải chăn nuôi

Trong các hệ thống xử lý sinh học, cộng đồng các sinh vật khai thác năng lượng từ các chất thải để duy trì họat động và tăng trưởng nhờ hệ thống enzyme sinh học Dựa vào khả năng này của vi sinh vật, người ta sử dụng vi sinh vật nhằm chuyển hóa các chất thải sinh học (biowastes) mà thường là các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi sang dạng không ô nhiễm hay lọai bỏ chúng ra khỏi dòng thải Các quá trình phân giải dị hóa của vi sinh vật, tảo, nấm men và nấm là những con đường chính cho toàn

bộ hay ít nhất là một phần của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ phân, nước tiểu hay xác động vật

- Mục tiêu của xử lý sinh học nước thải là lọai bỏ các chất ô nhiễm bởi quá trình chuyển hóa và tổng hợp sinh khối trong các tác nhân sinh học hay làm đông tụ và loại

bỏ các chất rắn dạng keo không có khả năng kết tủa Quá trình phân giải các chất hữu

cơ tạo thành các chất đơn giản như CH4, CO2, H2O, NH3, khí NOx… và cuối cùng chúng sẽ bị loại bỏ khỏi dòng nước thải bằng quá trình lắng bùn, chuyển thành dạng bền vững không độc của các hợp chất hữu cơ và vô cơ hòa tan và loại bỏ các chất dinh dưỡng (N, P) trong nước thải

- Ưu điểm của các phương pháp sinh học là phương pháp rẻ tiền, an toàn cho môi trường so với phương pháp hóa học Ngoài lợi ích về môi trường, phương pháp xử lý sinh học còn có khả năng tạo các sản phẩm phụ có giá trị kinh tề như khí sinh học (biogas), phân vi sinh hay nhiều sản phẩm khác…

- Người ta có thể sử dụng nhiều quá trình sinh học khác nhau trong xử lý nước thải chăn nuôi Hình 1.3 là một số các quá trình sinh học thường áp dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp sinh học 1.1.4 Các công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi

a Đối với quy mô hộ gia đình

Các phương pháp kết hợp thường mang lại cả về hiệu quả trong xử lý, đồng thời

có thể tạo ra các sản phẩm phụ có giá trị kinh tế như khí sinh học hay phân vi sinh…

Sau đây là một số dây chuyền công nghệ tiêu biểu đã được áp dụng trong thực tế ở các cơ sở chăn nuôi theo các quy mô và hình thức chăn nuôi khác nhau

Hình 1.4 Dây chuyền công nghê xử lý chất thải chăn nuôi kết hợp sản xuất khí

sinh học cho cơ sở chăn nuôi gia súc quy mô nhỏ gia đình

b Đối với cơ sở chăn nuôi quy mô vừa và lớn

Đối với các cơ sở chăn nuôi thương phẩm quy mô vừa và lớn, do lượng nước thải sản sinh trong một ngày đêm lớn nên cần xây dựng hệ thống quy mô thích hợp có khả năng xử lý nhanh và hiệu quả Đồng thời kết hợp với việc tạo ra các sản phẩm để tái sử dụng chất thải vào mục đích kinh tế Do vậy cần dành diện tích đất đủ lớn và xây dựng

hệ thống xử lý đồng bộ với các hồ sinh học và nên tách biệt với khu vực chăn nuôi, khu vực chế biến phân và khu vực nhà ở Ngay cả nước rò rỉ từ nhà chế biến phân cũng phải được thu gom và đưa vào hệ thống xử lý Dây chuyền công nghệ hình 1.5 đã đựơc vận hành tốt tại Trung tâm Nghiên cứu và huấn luyện gia súc Bình Thắng, Viện

Khoa học Nông nghiệp Miền Nam (Cảnh, 2001)

Hình 1.5 Dây chuyền công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi kết hợp cho các cơ sở

chăn nuôi thương phẩm quy mô vừa và lớn

1.2 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO SCENEDESMUS VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ

Vi tảo (Microalgae) là các vi sinh vật đơn bào, sinh trưởng bằng quang tự dưỡng

nhờ quá trình quang hợp, hoặc dị dưỡng, hoặc cả hai hình thức (Liam Brennan, Philip Owende, 2009) So với các nguồn sinh khối truyền thống, vi tảo có những ưu điểm nổi

bật như: tốc độ sinh trưởng nhanh, năng suất thu sinh khối và thu dầu cao hơn các loại thực vật có dầu khác; dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh với đất nông nghiệp và không cần nguồn nước sạch; thân thiện với môi trường Trung bình sản xuất 1 kg sinh khối tảo thì tiêu thụ được 1,83 kg CO2 (Attilio, 2009) Ngoài ra, có thể tận dụng CO2 từ khí thải

công nghiệp cùng với nước thải để nuôi trồng vi tảo (Teresa, 2009), làm giảm đáng kể

chi phí cho quá trình; nguồn sinh khối vi tảo ngoài mục đích sản xuất biodiesel còn có

nhiều ứng dụng khác, (Teresa, 2009)

Vi tảo (Microalgae) là tất cả các loại tảo có kích thước hiển vi tức là muốn quan sát được chúng thì phải sử dụng kính hiển vi Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm khoảng 2/3 Vai trò quan trọng của vi tảo thể hiện qua quá trình quang hợp hấp thụ CO2, cung cấp O2 cho các sinh vật khác trên trái đất, khép kín vòng

tuần hoàn vật chất và làm tăng tốc độ quay vòng của các chu trình đó (Sương, 1994)

Tảo là sinh vật sản xuất đóng vai trò rất quan trọng trong hệ sinh thái thủy vực Chúng là nguồn thức ăn có chất dinh dưỡng cao và số lượng dồi dào Đặc biệt những loài có kích thước nhỏ bé mà ta thường gọi là vi tảo vì chúng là thức ăn không thể thay thế của các loài ấu trùng vốn có kích thước miệng rất nhỏ Thành phần các chất dinh dưỡng có trong tảo rất cao, bao gồm protein (chiếm 50-70% trọng lượng khô với các acid amin thiết yếu, glucid (20-30%), lipid (10-20%), và các vitamin như B1, B6,

B12,… (Sze, 1998) Việc nuôi trồng vi tảo làm thức ăn trong các trại sản xuất giống

được biết đến từ những năm 1940 và ngày càng phát triển

Vi tảo là những loại tảo cực nhỏ có cấu tạo đơn giản, nổi trên mặt nước và không

có lá, rễ hoặc cuống sử dụng nhiều CO2 trong quá trình phát triển sinh khối, phát triển tốt trong nhiều môi trường khắc nhiệt như nước mặn, nước lợ, nước bẩn, sa mạc Các nhà nghiên cứu cho rằng tảo là nguyên liệu sinh học duy nhất có khả năng thay thế

Hiện nay đã phát hiện được khoảng 40.000 loài tảo trên toàn thế giới Người ta dự đoán số lượng này chỉ chiếm khoảng 11% số loài thực có ở Việt Nam, theo "Danh lục các loài thực vật Việt Nam" phát hành năm 2001 thì số loài tảo đã phát hiện được là trên 2000 loài

b Vài nét về đặc điểm sinh học của tảo

Cơ thể tảo được gọi là tản (thallus) vì thiếu thân, rễ và lá nhưng chúng lại có

chlorophyll a – sắc tố quang hợp điển hình Hầu hết các loại tảo đều sống trong môi

trường nước, từ nước ngọt đến nước mặn và nước lợ Tảo có cấu trúc từ dạng đơn bào đến đa bào và tập đoàn Nhìn chung tế bào tảo có một số đặc điểm cấu trúc tương tự như thực vật bậc cao: có vách tế bào cấu tạo từ cenllulose, có lục lạp và chlorophyll

(Kim, 1999)

Phương thức dinh dưỡng của tảo được phân thành hai loại chính: quang tự dưỡng (photoautotrophy) và dị dưỡng (heterotrophy) Dạng trung gian của hai hình thức trên

là tạp dưỡng (mixotrophy) (Tiến, 1978) Những tảo sống trên bề mặt thì cần ánh sáng

để quang hợp Quá trình quang hợp sử dụng CO2 và ánh sáng mặt trời để tạo ra các chất hữu cơ Ở dạng tạp dưỡng, quang hợp vẫn là quá trình cơ bản để tạo chất hữu cơ trong một số trường hợp, tảo sử dụng được cả các chất hữu cơ có sẵn

Môi trường dinh dưỡng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinh dưỡng của từng loài Thế nhưng, việc xác định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau vì nồng độ dinh dưỡng tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng, nhiệt độ và pH môi trường

c Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của tảo

Sự tăng trưởng của tảo nuôi trồng trong điều kiện vô trùng được đặc trưng bởi 5

pha (Hiền, 2000) được thể hiện ở hình 1.6

Hình 1.6 Năm pha sinh trưởng của tảo

Sự sinh trưởng của tảo được diễn tả bằng sự phân chia tế bào Với chế độ dinh dưỡng thích hợp và điều kiện sinh lý học thuận lợi, quá trính sinh trưởng của tảo trải qua ít nhất các pha sau:

- Pha chậm: Sự vô hiệu hóa các enzyme, sự giảm tốc độ trao đổi chất của tảo

giống, tế bào gia tăng kích thước nhưng không có sự phân chia; một số yếu tố khuyếch tán được tạo ra do chính các tế bào thì cần cho quá trình cố định carbon; hoạt động trao đổi chất của các tế bào đã ức chế sự hoạt động của các độc tố nào đó có mặt trong môi trường, hay do cấy tảo vào môi trường có chứa một vài chất có nồng độ quá cao

- Pha tăng trưởng: là giai đoạn mà tế bào phân chia rất nhanh và liên tục Tốc độ

tăng trưởng trong giai đoạn này tùy thuộc vào kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ

- Pha tăng trưởng chậm: Khi có một vài nhân tố xuất hiện như: sự giảm sút của

yếu tố dinh dưỡng nào đó, tỷ lệ cung cấp oxy và carbonic, sự thay đổi pH, sự hạn chế ánh sáng, sự xuất hiện các yếu tố ngăn cản sự phân chia các tế bào do một chất độc nào đó thì quá trình sinh trưởng của tảo bị ức chế, đây là giai đoạn đầu của pha tăng trưởng chậm Tuy nhiên, pha này diễn ra rất nhanh với sự cân bằng được tạo ra giữa tốc độ tăng trưởng và các nhân tố giới hạn, nó được xem là pha quân bình

- Pha suy tàn: Khi các chất dinh dưỡng trở nên cạn kiệt không đủ cung cấp cho

sự sinh trưởng và trao đổi chất đến mức trở nên độc hại, tảo sẽ bị suy tàn gọi là pha chết

d Phân loại

Căn cứ vào màu sắc, sự có mặt của các chất dự trữ, thành phần vỏ, cấu tạo nhân tế bào người ta có thể chia tảo thành những ngành khác nhau Vi tảo chủ yếu thuộc về

- Ngành tảo lục (Chlorophyta): Các chi Closterium, Dyctyosphaerium, Scenedesmus, Pediastrum, Staurastrum, Dunaliella, Chlamydomonas, Haematococcus, Tetraselmis, Chlorella,…

- Ngành Heterokontophyta (Tảo lông roi lệch): Các chi Melosira, Asterionella, Cymatopleurra, Somphonema, Fragilaria, Navicula, Malomonas, Dinobryon, Peridinium, Chaetoceros, Phaeodactylum, Skeletonema, Nitzschia,…

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

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

e Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của tảo

Ánh sáng

Cũng như các loài thực vật khác, tảo tổng hợp cacbon vô cơ thành các vật chất hữu cơ nhờ quá trình quang hợp do đó ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Cường độ ánh sáng cần thiết cho nuôi cấy tảo thay đổi tùy theo mật độ tảo,

độ sâu nước nuôi, dụng cụ nuôi cấy Quá trình quang hợp của tảo sẽ gia tăng khi

cường độ bức xạ mặt trời gia tăng và sẽ giảm khi cường độ bức xạ mặt trời giảm (Phú, 2006) Tảo sử dụng chất Chlorophyll và một số chất màu quang hợp để hấp thụ ánh

sáng mặt trời để biến đổi năng lượng hóa học dự trữ trong ATP và một số chất khử

khác (Cát, 2006) Năng lượng mà tảo hấp thụ được chuyển hóa từ dạng carbon vô cơ

(khí CO2, độ kiềm HCO3-) thành dạng carbon hữu cơ ởdạng đơn giản nhất là đường

đơn qua quá trình quang hợp Theo Garham và ctv (2000) tảo có đặc điểm hiệu ứng lại

với sự tăng lên của cường độ ánh sáng Để cho tảo phát triển cần một mức độ nhất định về cường độ ánh sáng, tuy nhiên nếu ánh sáng quá mạnh sẽ hạn chế sự phát triển của tảo do đó tảo sẽ giảm quang hợp Ở điều kiện thiếu ánh sáng trong thời gian dài chúng sẽ thích nghi bằng cách tăng hàm lượng Chlorophyll trong cơ thể Đặc tính ánh sáng khác nhau sẽ tạo ra Chlorophyll khác nhau và cũng ảnh hưởng đến quang hợp của

tảo, mặc khác nó còn ảnh hưởng đến sinh trưởng và tỷ lệ sinh khối (Hu, 2003) Cường

độ ánh sánh thích hợp khi nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ khoảng 1000 lux,

vớibề nuôi lớn cường độ ánh sáng là 5.000 – 10.000 lux (Kỳ, 2004)

Nhiệt độ

Mỗi loài tảo cần nuôi ở một khoảng nhiệt độ nước thích hợp, ngoài ngưỡng nhiệt

độ tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết Nhiệt độ không những ảnh hưởng trực tiếp

hoặc gián tiếp lên quá trình trao đổi chất mà còn tác động lên cấu trúc tế bào (Payer, 1980) Nuôi tảo trong phòng sẽ dễ dàng khống chế được nhiệt độ trong khi nuôi ngoài

trời thờitiết thay đổi bất thường nên không khống chế được nhiệt độ

Ngoài ra 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 này thì độ sâu mực nước phải đảm bảo cho ánh sáng xuyên qua đến lớp nước

dưới cùng thường là 15- 50 cm (Dela, 1992)

Ngoài các yếu tố trên sục khí cũng có vai trò quan trọng giúp tảo lơ lửng trong nước tránh lắng xuống đáy, làm tảo có cơ hội tiếp xúc đều với ánh sáng và chất dinh dưỡng Đồng thời, sục khí hạn chế sự phân tầng nhiệt độ, sự kết tủa của kim loại cũng như sự lắng xuống đáy của các kim loại nặng

Dinh dưỡng

Đạm

Nitrogen được tảo sử dụng để tạo ra các amino acid, acid nucleic, chlorophyll và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ khác Nitơ chiếm 1 – 10% trọng lượng khô của tế bào

tảo (Kim, 1999) Hầu hết các loài tảo đều có thể sử dụng N-NO3- ở màng tế bào

(Graham, 2000) Nitrat được sử dụng nhưng với nồng độ rất thấp (Kim, 1999) Các

muối ammonium cũng được tảo sử dụng trong thời gian dài như NH4+ nhưng nồng độ phải thấp hơn 100mgN/l trong khi NO3- được tảo sử dụng chính Việc bổ sung ammonium vào tế bào tảo khi đang hấp thu nitrate thì ngày lập tức sẽ hạn chế hoàn toàn quá trình này Tốc độ phát triển của tảo tốt nhất khi nồng độ nitrogen và phospho

với hàm lượng là 25 và 2 mg/l (Monstert, 1987) Sự thay đổi quá trình trao đổi chất kết hợp với tốc độ phát triển của tế bào tảo giảm dưới điều kiện thiếu nitrogen (Oh-hama, 1986)

Nguồn nitrogen cung cấp không những ảnh hưởng đến quá trình phát triển của tảo

mà nó còn ảnh hưởng đến thành phần sinh hoá của tế bào tảo

Lân

Lân là một trong những nhân tố chính trong thành phần của tảo Lân có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra trong tế bào đặt biệt là quá trình chuyển hoá năng lượng và tổng hợp acid nucleic Giống như đạm, lân cũng là yếu tố giới hạn sinh trưởng của tảo Tảo sử dụng chủ yếu là phospho vô cơ Phosphos hữu cơ thường được thuỷ phân bởi các enzym ngoại bào như phosphoesterase, phosphatase để chuyển sang dạng phospho vô cơ dễ tiêu Việc hấp thu lân ở tảo được kích thích bởi ánh sáng Lân thường tồn tại ở hai dạng phosphat hữu cơ (DIP) hoặc phospho vô cơ hoà tan (DOP) Hầu hết phospho hoà tan là DOP DIP thường ở dạng Orthophosphat (PO43-)

và một ít Monophosphat (HPO42-) và Dihydrogen phosphat (H2PO4-) Tảo chỉ có thể sử dụng phosphat hữu cơ hoà tan Khi môi trường thiếu phosphat hữu cơ hoà tan, tảo có thể tiết ra enzym alkalinephosphatase, đây là một loại enzym ngoại bào có khả năng giải phóng phosphate trong phạm vi chất hữu cơ Hơn nữa, khi hàm lượng phosphat hữu cơ hoà tan biến động trong khoảng thời gian ngắn thì tảo có thể hấp thu và dự trữ phosphate trong tế bào Trong thời gian biến động, một tế boà tảo có thể dự trữ

phosphat đủ cho sự phân chia 20 tế bào (Graham, 2000) Trong ao nuôi, sự phân huỷ thức ăn thừa và phân sẽ liên tục bổ sung phosphorus vào trong nước (Boyd, 1998)

Vi chất

- Kali thường có nồng độ cao trong nước thiên nhiên Ý nghĩa Kali trong đời sống thuỷ sinh vật rất lớn: Kali xúc tiến quá trình quang hợp bằng cách thúc đẩy quá trình vận chuyển glucid từ phiến lá vào các cơ quan khác Khi thiếu kali sự hình thành các liên kết cao năng bị chậm lại và hàm lượng phospho trong các acid nucleotic bị giảm Kali chiếm 1- 2% trọng lượng khô của tế bào và là cation chính trong tế bào

chất Đã có những nghiên cứu về nhu cầu kali cho quá trình tạo men (Hawker, Marshner, và Krauss, 1979) và tổng hợp tinh bột (Besford, 1978), (OhHama và

Miyachi, 1986)

- Natri: Ion Na+ phổ biến rộng rãi trong nước thiên nhiên và mức độ phổ biến trong các catoin chiếm vị trí hàng đầu Trong nước ngọt chiếm khoảng 5- 15%, trong thành phần cơ thể của thuỷ sinh vật chiếm khoảng 0.5-1% trọng lượng cơ thể chúng

- Magiê: Mg2+ rất quan trọng đối với thực vật vì nó có cấu tử trung tâm của diệp lục tố Thiếu Mg 2+ thực vật không tạo được diệp lục tố nên không quang hợp được vật chất hữu cơ Mg2+ rất cần thiết cho việc hấp thu và di chuyển lân Mg là thành phần

của chlorophyll, ribôsom và nhiễm sắc thể (Metzler, 1977) Mg 2+cũng cần thiết trong chức năng của enzym

- Ca2+: Là sản phẩm của quá trình phân hoá đất đá, đặt biệt là quá trình rữa trôi

đá vôi, dolomit và thạch cao Ion Ca2+ thường kết hợp với ion CO32-, HCO33-,SO42-

dạng HCO3- dễ chuyển hoá thành CaCO3 và phóng thích CO2 cho quá trình quang hợp của thực vật phù du trong nước Ca2+ làm cho nước bớt chua, làm tăng độ hoà tan, đồng hoá các chất dinh dưỡng khác như đạm phospho, tạo sự quân bình giữa các mối dinh dưỡng trong nước, giúp cho vi sinh vật hoạt động tốt hơn, cung cấp Ca2+

cho thực vật

- Fe: Sắt là một trong những nhân tố rất cần thiết cho đời sống thuỷ sinh vật mặc

dù nhu cầu về nó không lớn lắm Chất diệp lục cây xanh không thể tạo thành được nếu không có sắt, mặc dù trong thành phần diệp lục không có sắt Hàm lượng sắt trong nước ngọt cao hơn trong nước biển đến hàng chục ppm Hàm lượng các muối sắt hòa tan tỉ lệ nghịch với pH ( pH càng cao muối hòa tan của sắt càng thấp), do đó khi quá trình quang hợp của thực vật phù du trong ao xảy ra mạnh làm pH của nước tăng các

muối hòa tan của sắt hầu như hết hẳn (Phú, 2003)

- Mangan: Ở hàm lượng thấp (0.001 – 0.002ppm) có tác dụng kích thích sự tăng trưởng của thực vật, hàm lượng Mn+

thích hợp cho tảo là 0.005 – 0.2ppm)

- Cu2+: cũng là nguyên tố vi lượng cần cho thực vật phát triển Tiếp xúc với lượng đồng cao sẽ ức chế thực vật phát triển hoặc giết chết thực vật do phá hủy chức năng của tế bào đảm nhận các quá trình quang hợp, hô hấp, tổng hợp chlorophyll và phân chia tế bào của thực vật

- Zn2+: là thành phần cấu tạo carbonicanhydrase (xúc tác phản ứng hydrase hóa), làm tăng khả năng vận chuyển oxy

f Các phương pháp nuôi tảo

Có 3 phương pháp nuôi tảo: nuôi theo mẽ, nuôi bán liên tục và nuôi liên tục (Kỳ, 2004)

- Nuôi theo mẽ: Nuôi tảo trong các bể nuôi có môi trường dinh dưỡng, sau một vài ngày khi mật độ tảo lên đến cực đại hoặc gần cực đại thì thu hoạch Đây là phương pháp nuôi khá phổ biến vì đơn giản và thuận tiện, có thể xử lý khi môi trường nuôi có

sự cố

- Nuôi bán liên tục: Phương pháp này nhằm mục đích kéo dài thời gian nuôi bằng cách thu hoạch tảo từng phần Sau khi thu hoạch thì cấp thêm nước và môi trường dinh dưỡng để cho tảo tiếp tục phát triển Thông thường thì nuôi bán liên tục không tính được thời gian nuôi kéo dài bao lâu vì còn phụ thuộc vào chất lượng nước và các loài động vật dữ sử dụng làm thức ăn hoặc cạnh tranh không gian sống

- Nuôi liên tục: Là phương pháp nuôi tương đối hiện đại, giá thành cao và đòi hỏi quy trình nuôi chặt chẽ Nguyên tắc nuôi là liên tục dẫn tảo đến bể nuôi ấu trùng đồng thời cấp nước và môi trường dinh dưỡng vào bể nuôi Tốc độ dòng chảy của nước lấy

ra và nước có môi trường dinh dưỡng cấp vào phải bằng nhau Nuôi theo phương pháp này có thể kéo dài thời gian nuôi 2 – 3 tháng

1.2.2 Khái quát về vi tảo Scenedesmus

Tảo Scenedesmus là loài tảo đơn bào màu lục, phân bố rộng rãi trong nước ngọt và

1833)

b Hình thái

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

2, 4, 8 tế bào, đôi khi lên đến 16- 32 tế bào, rất ít tế bào đơn (Ying et al, 2009) Mỗi tế bào chứa một sắc tố riêng và nuclear protein Sắc tố quang hợp để cho chlorophyll a, chlorophyll b và carotenoids lutein

Các tế bào thường có hình elip hẹp, đầu tế bào hơi nhọn, xếp thẳng hàng hoặc so

le với sườn dinh sát nhau, có roi hoặc không roi Mỗi tế bào dài từ 5-27 µm và rộng từ

2- 14 µm (Chee, 2011)

Hình 1.7 Hình ảnh Scenedesmus dimorphus lấy từ Algae Resource Database

Hình 1.8 Scenedesmus dimorphus phân lập từ phòng thí nghiệm

Tế bào có cấu tạo gồm 3 thành phần chính: thành tế bào, tế bào chất và nhân tế bào Thành phần 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

c Môi trường sống

Các loài Scenedesmus là những tảo đơn bào màu lục phân bố rộng rãi trong nước

ngọt, nước lợ và trong đất Ở Peru cũng đã có dự án hoạt động từ năm 1973 với sự tài

trợ của CHLB Đức tại Casa Grande gần Trujillo phía bắc của Peru Loại tảo được nuôi

cấy ở đây là Scenedesmus acutus var altemans (Richmond, 1986) Ở khu vực Bắc Mỹ

và Nam Mỹ, một số nghiên cứu cũng đã phát hiện ra sự hiện diện của vi tảo

Scenedesmus; ở các thủy vực nước ngọt của Tây Ban Nha hay Trung Quốc cũng khá là

phong phú các loại vi tảo này

Ở Việt Nam, loài vi tảo này xuất hiện ở hồ Hoàn Kiếm (Bách, 2003), hồ Hòa Bình (Thuy et al, 2014), các ao nuôi ở khu vực Cần Thơ, An Giang (Oanh, 2010)

d Đặc tính sinh lý hóa

Tảo lục có 3 loại phương thức sinh sản:

- Sinh sản sinh dưỡng: phân cắt tế bào, phân cắt từng đoạn tảo

- Sinh sản vô tính: hình thành các loại bào tử vô tính, như Bào tử tĩnh (Aplanospore), Bào tử động (Zoospore), Bào tử tự thân (Autosporre), Bào tử màng dầy (Akinet)

- Sinh sản hữu tính: có Đẳng giao (homogamy), Dị giao (heterogamy) và noãn giao (ogamy)

Scenedesmus là cơ thể dị dưỡng, có khả năng sử dụng các chất hữu cơ (một số

đường đơn và acetate) làm nguồn carbon

Scenedesmus là chi tảo gồm một số loài rất ít khác nhau về đặc trưng sinh lý và sự

khác nhau đó không đặc trưng cho loài Kessler khi nghiên cứu các chi tảo này thấy

một số đặc điểm sinh lý hóa của Scenedesmus như sau:

- Các loài tảo Scenedesmus do có hoạt tính hydrogenase nên khi được chiếu sáng

sẽ giải phóng H2 ở áp suất O2 và khử CO2 bằng H2, H2S hoặc chất cho H+ khác Trong tối, chúng tạo ra H2O và CO2 nhờ sử dụng các chất hữu cơ, oxy hoá H2 bằng O2 hoặc dùng H2 để khử NO2 hoặc NO3-

- Thiếu N, P, Fe sẽ gây ra sự hình thành carotenoid thứ cấp

- Sự hoá lỏng gelatin và thuỷ phân tinh bột chứng tỏ tảo có thải ra protease và amylase ngoại bào

- Scenedesmus có tính chống chịu muối thấp

e Thành phần hóa học và thành phần dinh dưỡng

-Thành phần hóa học của tế bào tảo Scenedesmus tùy thuộc vào môi trường dinh

dưỡng được sử dụng trong quá trình tăng cường Tảo có thể phát triển tốt trong điều

kiện môi trường nước có hàm lượng Nito và Photpho cao Thành phần hóa học của được trình bày trong bảng sau

Bảng 1.4 Thành phần hoá học của vi tảo Scenedesmus

Thành phần hoá học (%P khô) Giá trị (%)

- Scenedesmus khá giàu vitamin, đặc biệt là vitamin tan trong nước

Bảng 1.5 Hàm lượng vitamin của Scenedesmus.sp so với trứng (mg/g P khô)

Nguồn: Lung, 2004

- Scenedesmus có năng suất sao khoảng 54g trọng lượng khô/m2.ngày tương đương với 50 tấn/ha/năm Các chủng này khi nuôi trồng ở diện rộng có hàm lượng protein khoảng 8 - 18% trọng lượng khô, hàm lượng Carbonhydrate chiếm 21 - 52%

trọng lượng khô, hàm lượng lipid khoảng 16 – 40 % trong lượng khô (Becker, 1994)

Bảng 1.6 Thành phần sinh khối khô của vi tảo

Bảng 1.7 Năng suất Scenedesmus nuôi cấy tự dưỡng lâu dài ngoài trời

Địa phương Năng suất tế bào

(g/m 2 ngày)

Chất khô (tấn/ha.năm)

Số ngày có hiệu lực trong năm

- Một số chất vô cơ chứa trong tảo Scenedesmus như Natri, Kali, Canxi, Magiê,

Sắt, Kẽm và Đồng Trong đó, Caxi chiếm tỷ lệ sinh khối cao nhất với 1208,90 mg.100/g, tiếp đến là Magiê với 400,60 mg.100/g và Đồng được tìm thấy là ít nhất với

0,3065 mg.100/g Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus được thể

hiện cụ thể trong bảng

Bảng 1.8 Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus

Thành phần chất vô cơ mg.100/g sinh khối

Thành phần chất vô cơ mg.100/g sinh khối

Nguồn: S Vidyashankar và cộng sự, 2014

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

Tảo là nhóm vi sinh vật có khả năng quang hợp, chúng có thể ở dạng đơn bào (vài loại có kích thước nhỏ hơn một số vi khuẩn), hoặc đa bào (như các loại rong biển, có chiều dài tới vài mét) Tảo có tốc độ sinh trưởng nhanh, chịu đựng các thay đổi của môi trường, có khả năng phát triển trong nước thải, có giá trị dinh dưỡng và hàm lượng protein cao, do đó có thể sử dụng các đặc điểm này của tảo để:

Xử lý nước thải và tái sử dụng chất dinh dưỡng Các hoạt động sinh học trong các môi trường nuôi tảo lấy đi các chất hữu cơ và dinh dưỡng của nước thải chuyển đổi thành các chất dinh trong tế bào tảo qua trình quang hợp Hầu hết các loại nước thải đô thị, nông nghiệp, phân gia súc đều có thể được xử lý bằng hệ thống ao tảo

Biến năng lượng mặt trời sang năng lượng trong các cơ thể sinh vật Tảo dùng năng lượng mặt trời để quang hợp tạo nên đường, tinh bột…Do đó việc sử dụng để xử

lý nước thải được coi là một phương pháp hữu hiệu để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng của cơ thể sống

Thông qua việc xử lý nước thải bằng cách nuôi tảo các mầm bệnh có trong nước thải sẽ bị tiêu diệt do các yếu tố sau: Sự thay đổi pH trong ngày của môi trường nuôi tảo do ảnh hưởng của quá trình quang hợp Các độc tố tiết ra từ tế bào tảo Và sự tiếp xúc của các mầm bệnh với bức xạ mặt trời (UV)

Thông thường người ta kết hợp việc xử lý nước thải và sản xuất và thu hoạch tảo

để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải Tuy nhiên tảo rất khó thu hoạch (do kích thước rất nhỏ), đa số có thành tế bào dày do đó các động vật rất khó tiêu hóa, thường bị nhiễm bẩn bởi kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các mầm bệnh còn lại trong nước thải

g Các yếu tố cần thiết cho quá trình xử lý nước thải bằng tảo:

Dưỡng chất: Ammonia là nguồn đạm chính cho tảo tổng hợp nên protein của tế

bào thông qua quá trình quang hợp Phospho, Magnesium và Potassium cũng là các dưỡng chất ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo Tỉ lệ P, Mg và K trong các tế bào tảo

là 1,5: 1: 0,5

Độ sâu của bể: độ sâu của bể tảo được lựa chọn trên cơ sở tối ưu hóa khả năng

của nguồn sáng trong quá trình tổng hợp của tảo Theo các cơ sở lý thuyết thì độ sâu tối đa của bể tảo khoảng 12,5cm Nhưng những thí nghiệm trên mô hình cho thấy độ sâu tối ưu nằm trong khoảng 20 -25cm Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, độ sâu của

bể tảo nên lớn hơn 20cm (và nằm trong khoảng 40- 50 cm) để tạo thời gian lưu tồn chất thải trong bể tảo thích hợp và trừ hao thể tích mất đi do cặn lắng

Thời gian lưu tồn của nước thải trong bể (HRT): thời gian lưu tồn của nước thải

tối ưu là thời gian cần thiết để các chất dinh dưỡng trong nước thải chuyển đổi thành chất dinh dưỡng trong tế bào tảo Thường thì người ta chọn thời gian lưu tồn của nước thải trong các bể lớn hơn 1,8 ngày và nhỏ hơn 8 ngày

Lượng BOD nạp cho bể tảo: lượng BOD nạp cho bể tảo ảnh hưởng đến năng suất

tảo vì nếu lượng BOD nạp quá cao môi trường trong bể tảo sẽ trở nên yếm khí ảnh hưởng đến quá trình cộng sinh của tảo và vi khuẩn

Khuấy trộn và hoàn lưu: quá trình khuấy trộn trong các bể tảo rất cần thiết nhằm

ngăn không cho các tế bào tảo lắng xuống đáy và tạo điều kiện cho các dinh dưỡng tiếp xúc với tảo thúc đẩy quá trình quang hợp Trong các bể tảo lớn khuấy trộn còn ngăn được quá trình phân tầng nhiệt độ trong bể tảo và yếm khí ở đáy bể tảo Nhưng việc khuấy trộn cũng tạo nên bất lợi vì nó làm cho các cặn lắng nổi lên và ngăn cản quá trình khuếch tán ánh sáng vào bể tảo

1.3 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Trên Thế Giới

Các nhà khoa học đã tìm hiểu về sự đa dạng sinh học của quần thể tế bào, các kỹ thuật trong hệ thống nuôi trồng và các phương pháp thu hoạch sinh khối tảo Từ đó, họ tiến hành thiết kế và tổ chức nuôi trồng các quần thể tảo với mật độ cao để sản xuất

các sản phẩm có giá trị như dược phẩm và các sản phẩm biến đổi gen (Javanmardian

được ra mắt vào 55 năm trước ở Mỹ bởi Oswald và cộng sự, 1957 Từ đó đã được thử nghiệm mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới

Sawayama và cộng sự sử dụng B braunii để loại bỏ nitrat và photphat từ nước

cống thải sau xử lý sơ cấp thu được nguồn sinh khối giàu hydrocacbon (Swayama, 1995)

Gomez Villa và cộng sự đã thí nghiệm nuôi trồng S obliquus ngoài trời trong nước thải nhân tạo thu được kết quả: giảm 53% nồng độ nito vào mùa đông và 21% vào mùa hè, giàm 45% nồng độ photpho vào mùa đông và 73% vào mùa hè, tuy nhiên, dựa vào các nghiên cứu gần đây, hiệu quả xử lý thấp hơn là do thời gian lưu nước

ngắn hơn (Gomez, 2005)

Hodaifa và cộng sự báo cáo rằng nuôi trồng S obliquus đã giảm 67.4% BOD5trong nước thải công nghiệp (pha loãng 25%) của nhà máy sản xuất dầu olive Trong nước thải không pha loãng, hiệu suất chỉ 35.5% bởi vì nồng độ nito hạn chế quá trình

sinh trưởng của tảo trong pha lũy thừa (Hodaifa, 2008)

Theo John R.Benemann (2009) nuôi trồng tảo để phục vụ cho chất đốt sinh học nói chung và sự khai thác dầu nói riêng không phải là một viễn cảnh Vi tảo cũng có vai trò trong việc xử lý nước thải, tảo sẽ loại bỏ nito và phosphose ra khỏi môi trường nước

Một số thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra sự chuyển hóa TN và TP ra khỏi môi trường nước thải bằng tảo Chlorella như của Luz Estela Gozalez (1997) là người phát hiện ra rằng tảo Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphus hấp thu 95% NH4+

và 50% TP trong nước thải Tảo được nuôi trong các ống hình trụ và trong bình tam giác, cho thấy trong giai đoạn đầu thí nghiệm tảo Scenedesmus có hiệu quả hơn trong loại bỏ dinh dưỡng nhưng ở cuối kỳ thí nghiệm thì tương tự nhau Thí nghiệm này cho thấy có thể dùng các vi tảo này để xử lý nước thải trên các dòng sông ở Colombia

Nhiều nghiên cứu khác thì sử dụng tảo xử lý nước thải có nguồn N, P (Mallick, 2002) Xinmiao Xu, Ying Shen, Jiacheng Chen (2014) 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%

1.3.2 Ở Việt Nam

Võ Thị Kiều Thanh và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng Chlorella sp và Daphnia sp

để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải từ quá trình chăn nuôi heo sau xử lý bằng UASB Sử dụng nước thải sau khi xử lý yếm khí và hiếu khí từ trại chăn nuôi lợn Đồng Hiệp, TP.HCM Nước thải có hàm lượng COD 430 mg/l, BOD5 174 mg/l, TN

538 mg/l, TP 191 mg/l Nước thải được pha loãng 4 lần với nước máy, đem nuôi tảo trong 9 ngày, ở điều kiện ánh sáng 1000 lux, nhiệt độ 28oC Sinh khối tảo đạt 107 tế bào/ml, lượng COD giảm 65.8% đến 88.2%, BOD5 giảm 61.4% đến 84%, TN giảm 87% - 90.18% đạt tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam, chỉ có lượng TP tổng có hiệu quả

xử lý 47.7% - 56.15%, hàm lượng còn lại 18.9 – 100 mg/l chưa đạt tiêu chuẩn xả thải của VIệt Nam Mẫu nước thải từ quá trình chăn nuôi lợn sau khi nuôi tảo 9 ngày trong

bố trí thí nghiệm trên đem nuôi với Daphnia 0 – 24 giờ tuổi/500ml, sau 16 ngày xử lý hoàn toàn Hàm lượng Nito tổng và Photpho tổng tiếp tục giảm lần lượt 94.15% và 80%, đạt tiêu chuẩn xả thải

Dương Đức Tiến và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ nuôi trồng tảo Spirulina Platensis trong nước thải Bể nuôi tảo được thiết kế theo quy trình của Israel,

có diện tích 75 m2, để xử lý nước thải của phân xưởng ure của nhà máy phân đạm Hà Bắc

Nghiên cứu hiệu quả kỹ thuật nuôi sinh khối tảo Chlorella sp sử dụng nước thải

từ ao nuôi cá tra (Bắc, 2013) cho thấy tảo Chlorella sp có khả năng phát triển tốt trong

môi trường nước thải ao nuôi cá tra