tính toán, thiết kế mô hình nuôi và thu hoạch tảo scenedesmus kết hợp với xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm biogas

Một trong những nguyên nhân là do người chăn nuôi chưa hiểu rõ tầm quan trọng của việc xử lý nguồn chất thải; kinh phí phục vụ cho việc xử lý chất thải còn thấp; luật xử lý chất thải còn

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

3 ĐỐI TƯỢNG THỰC HIỆN 2

4 GIỚI HẠN PHẠM VI 2

5 NỘI DUNG THỰC HIỆN 2

6 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2

7 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1 NUÔI VÀ THU HOẠCH TẢO 4

1.1 Giới thiệu vi tảo Scenedesmus và quá trình nuôi tảo 4

1.1.1 Giới thiệu chung về tảo và vi tảo 4

1.1.1.1 Khái quát về vi tảo Scenedesmus 6

1.1.1.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học của vi tảo Scenedesmus 7

1.1.2 Thành phần hóa học 8

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo 10

1.1.4 Các ứng dụng của tảo 13

1.2 Các phương pháp nuôi và thu hoạch tảo 15

1.2.1 Các phương pháp nuôi tảo 15

1.2.2 Tách sinh khối tảo 16

1.2.2.1 Phương pháp ly tâm 16

1.2.2.2 Phương pháp lọc 17

1.2.2.3 Phương pháp tạo bông 17

1.3 Các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước 18

1.3.1 Các nghiên cứu về nuôi tảo 18

1.3.1.1 Trên thế giới 18

1.3.1.2 Tại Việt Nam 20

1.3.2 Các nghiên cứu về thu hoạch tảo 24

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 25

2.1 Đặc tính nước thải sau hầm Biogas 25

2.2 Mục tiêu thiết kế của mô hình 28

2.3 Tiêu chí lựa chọn công nghệ 28

2.4 So sánh công nghệ và lựa chọn phương án 29

2.5 Cơ sở thiết kế 33

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH NUÔI VÀ THU HOẠCH TẢO SCENEDESMUS 34

3.1 Thông số thiết kế 34

3.2 Tính toán, thiết kế các công trình đơn vị 34

3.2.1 Bể điều hòa 34

3.2.2 Mô hình nuôi và thu hoạch tảo 41

3.2.3 Hồ sinh học 49

CHƯƠNG 4 KHAI TOÁN KINH PHÍ VÀ VẬN HÀNH MÔ HÌNH 51

4.1 Khai toán kinh phí 51

4.1.1 Chi phí xây dựng 51

4.1.1.1 Chi phí vật liệu bê tông cốt thép 51

4.1.1.2 Chi phí nhân công xây dựng 52

4.1.2 Chi phí vận hành 53

4.1.2.1 Chi phí điện năng 54

4.1.2.2 Chi phí vận hành cho việc nuôi tảo 54

4.2 Vận hành mô hình 55

4.2.1 Khởi động hệ thống 55

4.2.3 An toàn lao động trong vận hành 55

4.2.4 Các rủi ro khi vận hành và cách khắc phục 56

4.2.5 Duy trì và bảo dƣỡng 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và thành phần vitamin của vi tảo Scenedesmus 8

Bảng 1.2 Thành phần sinh khối khô của vi tảo Scenedesmus 9

Bảng 1.3 Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus 9

Bảng 1.4 Năng suất Scenedesmus nuôi cấy tự dưỡng lâu dài ngoài trời 10

Bảng 1.5 Ưu và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo 16

Bảng 1.6 Tình hình nuôi trồng đại trà vi tảo trên thế giới giai đoạn 1996 -1997 20

Bảng 2.1 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý Biogas khu chuồng lợn nái 25

Bảng 2.2 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý Biogas 26

Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả của mô hình nuôi vi tảo xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas 27

Bảng 2.4 Thông số nước thải đầu vào 28

Bảng 2.5 Chi phí phải trả khi sử dụng nước sạch để pha loãng trong thời gian hoạt động 32

Bảng 3.1 Bảng dự đoán hiệu suất qua các công trình 34

Bảng 3.2 Các thông số cho thiết bị khuếch tán khí [13] 37

Bảng 3.3 Tổng hợp các thông số thiết kế bể điều hòa 41

Bảng 3.4 Tổng hợp các thông số thiết kế bể nuôi tảo 47

Bảng 3.5 Thông số thiết kế bể lọc 49

Bảng 3.6 Thông số thiết kế hồ sinh học 50

Bảng 4.1 Chi phí xây dựng đối với bê tông 51

Bảng 4.2 Chi phí thiết bị cho hệ thống 52

Bảng 4.3 Chi phí điện năng 54

Bảng PL1: Tốc độ tăng trưởng sinh học của vi tảo Scenedesmus trên các môi trường thí nghiệm 64

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Năm pha sinh trưởng của tảo 5

Hình 1.2 Tảo Scenedesmua dưới kính hiển vi 6

Hình 1.3 Sinh khối vi tảo Scenedesmus. 8

Hình 1.4 Mô hình nuôi tảo 23

Hình 1.5 Bể nuôi vi tảo mô hình phòng thí nghiệm 23

Hình PL.1 pH và nhiệt độ của nước thải đầu ra của mô hình thí nghiệm 60

Hình PL.2 Biến thiên và hiệu quả xử lý tổng Nito của mô hình thí nghiệm 60

Hình PL.3 Biến thiên và hiệu quả xử lý TP của mô hình thí nghiệm 61

Hình PL.4 Biến thiên mật độ tảo và hiệu quả xử lý TP của mô hình thí nghiệm 61

Hình PL.5 Biến thiên và hiệu quả xử lý COD của mô hình thí nghiệm 62

Hình PL.6 Biến thiên và hiệu quả xử lý BOD5 của mô hình thí nghiệm 62

Hình PL.7 Biến thiên mật độ vi tảo của bể nuôi trồng trong mô hình thí nghiệm 63

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế ở nước ta, vấn đề ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề bức thiết hiện nay Một trong những nguồn chất thải gây ô nhiễm môi trường là từ chăn nuôi Ngành chăn nuôi ở nước ta những năm gần đây đã

và đang phát triển nhanh chóng về cả chất lượng và quy mô Tuy nhiên, chăn nuôi hộ gia đình nhỏ lẻ cũng như trại chăn nuôi lớn việc quản lý và sử dụng các nguồn chất thải từ chăn nuôi còn nhiều bất cập Một số trang trại lớn đã có những biện pháp xử lý nguồn chất thải chăn nuôi Trong khi đó, việc xử lý chất thải ở một số trang trại chưa được quan tâm Đặc biệt, chăn nuôi nhỏ lẻ hộ gia đình việc xử lý chất thải hầu như còn

bị thả nổi Một trong những nguyên nhân là do người chăn nuôi chưa hiểu rõ tầm quan trọng của việc xử lý nguồn chất thải; kinh phí phục vụ cho việc xử lý chất thải còn thấp; luật xử lý chất thải còn chưa đồng bộ và khó áp dụng; chăn nuôi nhỏ lẻ cũng là một trong những nguyên nhân làm việc quản lý và xử lý chất thải còn gặp nhiều khó khăn;…

Hiện nay, ở nước ta nước thải chăn nuôi 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 nhưng nước thải được xả trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước mặt khu vực xung quanh điểm xả thải, gây mùi hôi thối và dễ sinh ra các mầm bệnh Nếu lượng nước thải xả một thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến môi trường đất và nguồn nước ngầm

Dựa trên đặc tính sinh trưởng của loài tảo Scenedesmus là có thể sinh trưởng tốt trong môi trường nước thải, tác giả đã chọn nguồn nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas để làm nguồn dinh dưỡng nuôi tảo, từ đó góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường Không chỉ phục vụ xử lý nước thải chăn nuôi tảo còn được sử dụng chủ yếu để làm mỹ phẩm, làm thức ăn cho thuỷ sản, người và động vật trong đó khả năng ứng dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học được đánh giá cao

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

Các hoạt động sinh học trong các ao 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

Chính vì thế việc “Tính toán, thiết kế mô hình nuôi và thu hoạch tảo

Scenedesmus kết hợp với xử lý nước thải sau hầm Biogas” là hết sức cần thiết nhằm

đảm bảo nước đầu ra ổn định và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi gây ra và hướng đến nguồn nhiên liệu sinh học mới từ Tảo Scennedesmus

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Đánh giá hiệu suất xử lý chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi của tảo

5 NỘI DUNG THỰC HIỆN

Nội dung 1: Nghiên cứu, tổng hợp tài liệu

- Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo

- Tổng quan về vi tảo scenedesmus

- Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi

Nội dung 2: Tính toán, thiết kế mô hình nuôi và thu hoạch tảo Scenedesmus kết hợp với việc xử lý nước thải chăn nuôi heo sau hầm Biogas

Nội dung 3: Tính toán chi phí xây dựng và vận hành

6 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước

có liên quan để làm cơ sở cho việc thực hiện đề tài

- Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến chuyên gia trong

lĩnh vực để hiểu rõ đề tài và xây dựng phương án thu thập, phân tích xử lý số liệu

- Phương pháp phân tích và xử lý số liệu, gồm: phân tích, tính toán các công trình

đơn vị và dung phần mềm vẽ kĩ thuật thể hiện các công trình trên bản vẽ

- Phương pháp so sánh: So sánh ưu nhược điểm công nghệ nuôi và thu hoạc tảo,

sau đó lựa chọn công nghệ tối ưu

- Phương pháp đồ họa: Dùng phần mềm AutoCad để mô tả cấu trúc các công

trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải

7 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas và sản xuất Tảo phục vụ cho mục tiêu tăng lợi nhuận của chăn nuôi và giảm thiểu ô nhiễm do xả thải nước thải sau hầm Biogas

CHƯƠNG 1 NUÔI VÀ THU HOẠCH TẢO

1.1 Giới thiệu vi tảo Scenedesmus và quá trình nuôi tảo

1.1.1 Giới thiệu chung về tảo và vi tảo

Tảo (Algae) là những thực vật bậc thấp (thực vật có bào tử, cơ thể không phân chia thành thân, rễ, lá) Trong tế bào tảo có chứa diệp lục và chúng sống chủ yếu ở nước

Vi tảo (Microalgae) là tất cả các loại tảo có kích thức 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 (Ngô Kế Sương, 1994)

Tảo có mặt ở khắp nơi trên trái đất, từ đỉnh núi cao cho đến dưới đáy biển sâu, thậm chí ở cả độ sâu khoảng 200 m dưới biển nếu như nước biển ở đó rất sạch (Bourrelly, 1970)

Những loài tảo sống trong các thủy vực được gọi là tảo phù du (phytoplankton) còn những tảo sống bám đáy thủy vực, bám trên các vật sống hay các thành tàu thuyền được gọi là tảo đáy (phytobentos) Dạng tảo cộng sinh với nấm thành địa y cũng là dạng phân bố rất rộng rãi và nhiều loài đã được khai thác dùng làm dược phẩm, nước hoa, phẩm nhuộm và các mục đích kinh tế khác (hiện đã biết tới 20.000 loài địa y thuộc 400 chi khác nhau)

Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển

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

5 pha (Trần Thị Thanh Hiền, 2000) được thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1 Năm pha sinh trưởng của tảo

- Pha chậm hoặc cảm ứng (1): Tảo sinh trưởng chậm, mật độ tế bào tăng ít do phải thích nghi dần với môi trường sống mới

- Pha sinh trưởng theo hàm số mũ (2): ở pha này mật độ tế bào tăng nhanh

- Pha giảm tốc độ sinh trưởng (3): Sự phân chia tế bào sẽ chậm lại khi các chất dinh dưỡng, ánh sáng, độ pH, CO2 hoặc các yếu tố lý hóa khác bắt đầu hạn chế sự sinh trưởng

- Pha ổn định (4): Mật độ tế bào tương đối ổn đinh, không thay đổi do các yếu tố hạn chế và tốc độ sinh trưởng ở trạng thái cân bằng

- Pha tàn lụi (5): Chất lượng môi trường trở nên xấu đi, các chất dinh dưỡng suy kiệt tới mức không thể duy trì được sự sinh trưởng Mật độ tế bào giảm mạnh

 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 các chi trong các ngành sau:

- 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,

1.1.1.1 Khái quát về vi tảo Scenedesmus

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

Kích thước trung bình khoảng 10µm

Hình 1.2 Tảo Scenedesmua dưới kính hiển vi

Sinh khối vi tảo Scenedesmus thích hợp cho việc sản xuất hàng loạt

Ngày nay, tảo Scenedesmus còn được biết đến là loài tảo có hàm lượng protein

và lipid cao, có triển vọng trong ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học

Cũng giống như nhiều loại vi tảo khác, Scenedesmus là loài dị dưỡng,

có khả năng sử dụng các chất hữu cơ (một số đường đơn và acetate) làm nguồn cacbon

Vị trí của vi tảo Scenedesmus trong hệ thống phân loại như sau:

1.1.1.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học của vi tảo Scenedesmus

Scenedesmus thường có 4 – 8 tế bào, đôi khi có 16 – 32 tế bào đa, rất ít tế bào đơn Tế bào hình tròn hoặc hình trụ, được xếp thành một trục dài gồm 1 đến 2 hoặc nhiều hàng Mỗi tế bào chứa một sắc tố riêng và nuclear protein Sắc tố quang hợp để cho chlorophyll a, chlorophyll b và carotenoids lutein

Tảo lục có 3 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, bào tử động, bào tử tự thân, bào tử màng dày

- Sinh sản hữu tính: có đẳng giao, dị giao và noãn giao

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

số đường đơn và acetate) làm muồn cacbon Chúng sinh sản bằng phương thức sinh sản vô tính, phân cắt tế bào với kích thước khoảng 15 – 25 µm (Dan Cheng và cộng

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

Hình 1.3 Sinh khối vi tảo Scenedesmus [15]

Tảo còn được sử dụng chủ yếu để xử lý môi trường, làm mỹ phẩm, làm thức ăn cho thuỷ sản, người và động vật trong đó khả năng ứng dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học được đánh giá cao

1.1.2 Thành phần hóa học

Thành phần hoá học và thành phần vitamin của tế bào tảo Scenedesmus tuỳ thuộc vào môi trường dinh dưỡng được sử dụng trong quá trình tăng trưởng Tảo có thể phát triển tốt trong điều kiện môi trường nước có hàm lượng Nitơ và Photpho cao Thành phần hoá học và thành phần vitamin chứa trong vi tảo Scenedesmus được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và thành phần vitamin của vi tảo Scenedesmus Thành phần hóa học

(%P khô)

Giá trị (%)

Thành phần vitamin (mg/g P khô)

Giá trị (mg/g)

Nguồn: S Vidyashankar và cộng sự, 2014

Bảng 1.2 Thành phần sinh khối khô của vi tảo Scenedesmus

Bảng 1.3 Thành phần chất vô cơ trong sinh khối tảo Scenedesmus

Tảo có khả năng hấp thu CO2 và các muối khoáng cần thiết để tổng hợp protein, glucid, lipid,… Có thể thay đổi tuỳ theo điều kiên môi trường như ánh sáng,

pH, nhiệt độ,…

Scenedesmus có năng suất khá cao khoảng 54g trọng lượng khô/m2

.ngày, tương đương với 5 tấn/ha.năm Các chủng này khi nuôi trồng ở diện rộng có hàm lượng protein khoảng 50 – 56% trọng lượng khô, hàm lượng lipid khoảng 16 – 40% trọng lượng khô, các thành phần amino axit khá đầy đủ và giàu vitamin đặc biệt là các vitamin tan trong nước

Bảng 1.4 Năng suất Scenedesmus nuôi cấy tự dưỡng lâu dài ngoài trời

bào (g/m 2 ngày)

Chất khô (tấn/ha.năm)

Số ngày có hiệu lực trong năm

Nguồn: Trương Văn Lung, 2004

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo

a 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 đến quá trình trao đổi chất ở tảo Thông số này lại phụ thuộc vào thành phần khả năng đệm của môi trường, nhiệt độ cũng như hoạt tính trao đổi chất của tế bào tảo

Hầu hết các giống tảo được nuôi trong môi trường đều có giá trị pH nhất định Thông thường khoảng pH cho phép là 7-9 và theo nhiều tài liệu pH tối ưu là 8,2-8,7

b Nhiệt độ

Mỗi loài tảo thích hợp với nhiệt độ tối ưu và biên độ nhiệt khác nhau tùy theo loài Chính vì vậy, việc chọn các chủng loại tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năng suất tảo Nhiệt độ thấp ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của tảo

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nuôi tảo trong khoảng từ 29 – 320C, có thể thay đổi tùy theo thành phần môi trường nuôi, loài nuôi và dòng nuôi Nhiệt độ thấp hơn

250C sẽ làm chậm sự tăng trưởng, trong khi đó nhiệt độ tăng cao hơn 350C sẽ gây bất lợi cho một số loài

c Các chất dinh dưỡng/môi trường nuôi

Các môi trường dinh dưỡng dùng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinh dưỡng của từng loài tảo Việc xác định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó là vô cùng khó khăn Vì môi trường dinh dưỡng tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng và pH môi trường Các chất dinh dưỡng đa lượng bao gồm: nitrat, photphat,.… Các nguyên tố vi lượng được 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,.…

d Khuấy sục môi trường nuôi

Trong quá trình nuôi tảo việc khuấy sục có tác dụng: giúp ngăn ngừa hiện tượng phân tầng nhiệt độ trong dịch nuôi, giúp tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng, ngăn ngừa tảo lắng xuống bể, cải thiện trao đổi khí giữa môi trường nuôi và không khí, quan trọng hơn là cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp

Trong trường hợp nuôi với mật độ cao, CO2 từ 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 CO2 và H2CO3

e Ánh sáng

Việc cung cấp ánh sáng cho nuôi tảo là vấn đề thiết yếu Bởi vì giống như tất

cả các loài thực vật bậc thấp khác, hệ số sử dụng năng lượng ánh sáng ở tảo cao hơn ở thực vật bậc cao, điều này 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 ta thấy xuất hiện hiện tượng quang ức chế có thể làm tảo chết hoặc làm giảm đáng kể năng suất nuôi trồng

f Các yếu tố sinh học

Các nguồn gây ô nhiễm sinh học chủ yếu như lây nhiễm vi khuẩn, nguyên sinh động vật hoặc các loài vi tảo khác là vấn đề khó khắc phục đối với việc nuôi cấy tảo thuần chủng cũng như nuôi cấy vô trùng

Các nguồn gây nhiễm phổ biến nhất gồm có môi trường nuôi (nước và các chất dinh dưỡng), không khí, bình nuôi và tình trạng giống nuôi cấy ban đầu Tảo bị nhiễm tạp chất sẽ ức chế về nhiều mặt trong quá trình phát triển dẫn đến sinh khối đạt được không cao và chất lượng tảo giảm đi rất nhiều, thậm chí không thể sử dụng được Sự cạnh tranh về dinh dưỡng, ánh sáng, CO2và ảnh hưởng của một số chất độc gây ức chế từ các tác nhân gây nhiễm đối với tảo nuôi là những tác hại chính của sự tạp nhiễm

Trong quá trình nuôi tảo cần chú ý tới các sinh vật có thể xâm nhập vào hệ thống nuôi và gây hại cho tảo Sự xâm nhập của sinh vật có hại cho bể nuôi tảo là từ nguồn nước cấp Do đó, cần chú ý xử lý nguồn nước cấp cẩn thận đảm bảo cho tảo phát triển tốt nhất

- Động vật chân chèo (luân trùng - Rotifers): Đôi khi các luân trùng nhiễm vào

hệ thống nuôi, chúng sẽ dùng tảo lam làm thức ăn Do đó gây thiệt hại về sinh khối tảo Có thể tiêu diệt luân trùng bằng cách dừng khuấy bể vào ban đêm, khi đó tảo sẽ sử dụng oxygen để hô hấp dẫn đến động vật chân chèo thiếu oxy rồi chết, tuy nhiên có làm làm tảo thiếu oxy cho quá trình hô hấp Ngoài ra, có thể dùng lưới (với mắt lưới nhỏ) để vớt chúng hoặc có thể dùng hóa chất để diệt chúng nhưng phải đảm bảo không ảnh hưởng đến tảo và người tiêu dùng

- Các động vật nguyên sinh: Chúng không độc cho người, cũng không hại tới tảo

Có lẽ chúng còn giúp cho tảo bởi vì tạo ra một lượng nhỏ CO2 Tuy nhiên cũng không nên giữ lại chúng trong hệ thống nuôi tảo

- Amoeba: Những loài này khác với động vật nguyên sinh ở chỗ chúng ăn tảo

Hiện có khoảng 74 loài amoeba khác nhau Có một loài trong số chúng gây nguy hiểm cho người đó là Entamoeba histolytica Các dạng sống dinh dưỡng của amoeba hiếm khi nhìn thấy bên ngoài vật chủ (người, động vật) Chúng lan truyền bằng các bào tử hình trứng, các bào tử này bị tiêu diệt ở nhiệt độ 45oC trong thời gian 1 giờ và ở nhiệt

độ 55o

C chúng chỉ có thể tồn tại trong vài giây

- Tảo tạp: Hệ thống nuôi còn có thể bị nhiễm một số loại tảo khác như tảo silic

(Navicula), tảo lục (Chlorella) Tuy nhiên hầu hết các loài tảo này sống ở đáy nên khi mật độ Spirulina phát triển dày sẽ ức chế quá trình quang hợp của chúng do ánh sáng không thể xuống được tới đáy Trong trường hợp các loại tảo này phát triển mạnh,

người ta có thể tắt các máy khuấy sau đó thu vớt Spirulina trên mặt chuyển sang bể nuôi khác, sau đó xử lý các loại tảo tạp Một số loại tảo lam có thể gây độc cho người, tuy nhiên do đặc thù môi trường nuôi tảo Spirulina có pH cao nên các loại tảo này hầu như khó phát triển được

- Vi khuẩn: Chúng có thể gây tác hại cho con người khi sử dụng tảo Tuy nhiên

giới hạn pH của hầu hết các loài vi khuẩn gây bệnh cũng như nấm mốc, nấm men khoảng 6-8 nên chúng bị tiêu diệt trong bể nuôi tảo Spirulina Trong trường hợp hệ thống nuôi chứa các vi khuẩn gây bệnh cho người, chúng có thể bị tiêu diệt trong quá trình chế biến sinh khối tảo

1.1.4 Các ứng dụng của tảo

Mặc dù Scenedesmus có khả năng sản xuất nhiều loại nhiên liệu sinh học như

hydro -sinh học, dầu diesel sinh học , bioethanol và nhiên liệu thả dầu, nhưng nghiên cứu sâu rộng nhất đã được thực hiện trên việc sử dụng Scenedesmus để sản xuất diesel sinh học Giống như tất cả các hệ thống tảo, việc thực hiện sản xuất nhiên liệu sinh học tổng hợp của Scenedesmus từ những phát hiện của phòng thí nghiệm có những thách thức trong sản xuất quy mô lớn Các thách thức chính bao gồm cung cấp và tái chế chất dinh dưỡng, truyền và trao đổi khí, trao đổi chất hoạt động Cải cách hành chính (PAR), sự toàn vẹn văn hoá, kiểm soát môi trường, sẵn có đất đai và nước, thu hoạch,

và kỹ thuật di truyền và trao đổi chất

a Sản xuất hydro sinh học (H 2 )

Năm 1942, Gaffron và Rubin có thể được ghi nhận là đã thực hiện một thí nghiệm kích hoạt nghiên cứu sản xuất H2 trong tảo xanh sử dụng Scenedesmus obliquus Tảo sản xuất khí H2 trong các điều kiện không khí bằng cách cung cấp hydrogenase với các ion hydro bắt nguồn từ phân chia các phân tử nước qua quá trình quang hợp

Hoạt động của enzyme hydroxyl của Scenedesmus sp Được báo cáo là thấp hơn Chlamydomonas reinhardtii H2 sản xuất độc lập của Photosystem II ở Scenedesmus cũng đã được thực hiện bằng cách sử dụng tương đương redox của quá trình chuyển hóa lên men trong điều kiện ươm k an sắt đen tối Kết quả nghiên cứu cho thấy một môi trường lưu huỳnh tước gây nên sự mất cân bằng trong mối quan hệ quang hợp và hô hấp, dẫn đến mạng lưới tiêu thụ của O2, gây anaerobiosis, và chuyển sang sản xuất hydro

Xử lý tiền xử lý bằng siêu âm đã có hiệu quả trong việc tăng sản xuất năng lượng lên men lên men từ Scenedesmus oliquus YSW15 Nghiên cứu sản xuất hydro

sinh học sử dụng Scenedesmus được tích cực thúc đẩy bởi các ứng dụng của nó đối với xử lý nước thải

b Sản xuất diesel sinh học

Scenedesmus được biết là có năng suất sinh khối cao trong số các loài tảo xanh

và đã được nghiên cứu để sử dụng cho sản xuất diesel sinh học Việc sản xuất sinh khối và lipid heterotrophic của nó trong các điều kiện tối ưu được báo cáo là có hiệu quả cao hơn sản xuất tự dưỡng Tối ưu hóa năng suất sinh khối cũng như hàm lượng lipid thông qua nồng độ các chất bổ sung khác nhau đã được thực hiện trong nhiều nghiên cứu

Hiện tại, năng suất lipid Scenedesmus sau khi tối ưu đã đạt đến ~ 60% trọng lượng tế bào khô, thấp hơn một số loại tảo khác Tuy nhiên, Scenedesmus hiệu quả hơn trong việc thu nhận CO2 hơn các loài tảo khác

Giống như nhiều loài tảo, Scenedesmus cần điều kiện nitrat thiếu để tăng năng suất một cách sâu sắc lipid của nó Một cải tiến đáng kể (lên đến sáu lần) sản lượng nguyên liệu đã đạt được bằng cách bổ sung nồng độ ethanol khác nhau trong khoảng thời gian 12 giờ và trong bóng tối Sự cải thiện đáng kể trong sản xuất lipid thu được khi nuôi cấy ở giai đoạn cố định đã được chuyển sang môi trường thiếu nitrat trong 7 ngày và phosphate trong 3 ngày

Chiết xuất dầu với methanol hoặc ethanol từ Scenedesmus vẫn là một thách thức và hàm lượng lipid thấp hơn sẽ làm tăng chi phí sản xuất Trong một nghiên cứu gần đây, Scenedesmus dồi dào đã được cô lập từ hồ Dal, Kashmir và chứng tỏ là một nguyên liệu thích hợp cho sản xuất diesel sinh học Tảo tăng lên đáng kể trong sinh khối và hàm lượng lipid với nồng độ đạm 0,32g / L Một transesterification hai bước

đã được tìm thấy là phù hợp nhất cho transesterification , trong khi folch chiết xuất tốt nhất để chiết xuất lipid

c Bio-ethanol

Scenedesmus , và các vi tảo khác như Chlorella , Dunaliella , Chlamydomonas ,

và Spirulina , chứa một lượng lớn carbohydrate (> 50% trọng lượng khô), làm cho chúng trở thành ứng cử viên hấp dẫn cho sản xuất ethanol sinh học Trong một nghiên cứu, Scenedesmus được sử dụng để mang lại năng suất sinh khối cao; Sinh khối giàu carbohydrate của nó sau đó đã được thủy phân với axit sulfuric 2% và trải qua quá trình SHF (riêng Hydrolysis và lên men) để sản xuất 8.55 g L -1 ethanol và sản lượng tối đa 0.213 g ethanol / g sinh khối trong vòng 4 giờ lên men ethanol

1.2 Các phương pháp nuôi và thu hoạch tảo

1.2.1 Các phương pháp nuôi tảo

Tảo có thể được sản xuất bằng cách áp dụng một loạt các phương pháp khác nhau, từ các phương pháp được áp dụng trong phòng thí nghiệm đến các phương pháp nuôi ngoài trời Các điều kiện nuôi gồm có:

Hệ thống nuôi tảo trong nhà hoặc ngoài trời: Nuôi trong nhà cho phép kiểm soát cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hàm lượng chất dinh dưỡng, tạp nhiễm các sinh vật ăn mồi sống và các tảo cạnh tranh Ngược lại, các hệ thống nuôi ngoài trời làm cho việc nuôi trồng duy trì một loài tảo thuần trong thời gian dài là rất khó khăn

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 tạp chất bẩn 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 khử trùng rất cẩn thận tất cả các dụng cụ thủy tinh, môi trường và các bình nuôi để tránh nhiễm tạp chất Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế đối với quy mô công nghiệp

Dưới đây là ba kiểu nuôi thực vật phù du cơ bản:

- Nuôi từng mẻ gồm có việc cấy đơn các tế bào trong một thùng chứa môi trường, tiếp theo là một thời kỳ phát triển vài ngày và tiến hành thu hoạch khi quần thể đạt tối đa hoặc gần tối đa Trong thực hành, tảo được chuyển sang các thùng nuôi có dung tích lớn hơn trước khi đạt tới pha ổn định và sau đó khối lượng nuôi lớn được tăng lên với mật độ tối đa và thu hoạch

- Nuôi liên tục: Phương pháp nuôi liên tục cho phép duy trì giống nuôi cấy có tốc

độ rất gần tốc độ sinh trưởng tối đa Người ta phân biệt một số dạng nuôi liên tục như sau:

 Turbidostat (nuôi cho lên men liên tục): mật độ tảo được duy trì ở mức độ xác định trước bằng cách pha loãng tảo nuôi với môi trường Có thể nói đây là hệ thống tự động Trong trường hợp này, dinh dưỡng là không hạn chế nhưng ánh sáng

là yếu tố hạn chế trừ khi mật độ tảo quá thấp

 Chemostat (nuôi ở trạng thái hóa tính): ở đây môi trường nước được đưa vào

hệ thống nuôi với một sự tuần hoàn nhất định Một phần dung dịch mới liên tục được

bổ sung để thay đổi dung dịch môi trường mà tảo đã dùng 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, thực chất là một dạng nuôi theo mẻ nhưng sinh khối được kiểm tra định kỳ và giữ ổn định bằng phương pháp pha loãng 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 thu hoạch toàn bộ mà thu hoạch từng phần nên phương pháp nuôi bán liên tục cho khối lượng tảo nhiều hơn so với phương pháp nuôi từng mẻ với cùng một kích thước bể nuôi

 Ưu – nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo

Bảng 1.5 Ưu và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo

Nuôi ngoài trời Rẻ hơn Ít kiểm soát (ít dự đoán trước được)

Nuôi vô trùng Có thể dự đoán trước Tốn kém, khó thực hiện

Nuôi không vô trùng Rẻ và dễ thực hiện Dễ thất bại

Nuôi liên tục

Hiệu quả, cung cấp tảo chất lượng cao và ổn định, vận hành tự động, khả năng sản xuất thời gian dài

Khó thực hiện, chỉ có thể nuôi với số lượng nhỏ, phức tạp, trăng thiết bị tốn kém

Nuôi bán liên tục Dễ hơn, tương đối hiệu quả Chất lượng không ổn định, ít chắc

chắn

Nuôi theo mẻ Dễ nhất, chắc chắn nhất Hiệu quả thấp nhất, chất lượng có

thể thay đổi nhiều nhất

1.2.2 Tách sinh khối tảo

Cho tới nay nhiều phương pháp thu sinh khối đã được ứng dụng như ly tâm, lắng, lọc, kết lắng hóa học, kết lắng bằng điện trường, tự kết lắng, lọc trọng trường, lọc chân không,.… Khâu thu hoạch tảo là khâu có ảnh hưởng lớn đến giá thành sản xuất

1.2.2.1 Phương pháp ly tâm

Có thể dùng để thu hoạch vi tảo dạng sợi hoặc đơn bào Phương pháp ly tâm

có ưu điểm chính là đơn giản và không phải sử dụng hóa chất bổ sung Tuy vậy, chi

phí năng lượng của phương pháp thu hoạch này khá lớn (khoảng 1kWh/m3) khiến việc

sử dụng nó chỉ khả thi trong những cơ sở sản xuất cho ra các sản phẩm chất lượng cao

1.2.2.2 Phương pháp lọc

Là phương pháp khả thi cho thu hoạch nhiều loài tảo khác nhau Vật liệu dùng cho lọc cơ học là cát mịn, sợi cellulose,… Tốc độ lọc chậm và màng lọc hay bị bít tắc

do chính sinh khối tảo và vi sinh vật khiến phương pháp này cần lượng nước khá lớn

để rửa thường xuyên Trong các phương pháp lọc khác nhau thì lọc nén áp suất có triển vọng hơn cả do tốc độ nhanh và khả thi cho sản xuất lớn vì giá thành không quá cao

Nhiều màng lọc đặc biệt vận hành theo kiểu màng rung, màng xoay, màng nghiêng đã được thử nghiệm để tách sinh khối tảo khỏi môi trường Phương pháp có ưu điểm là tốc độ nhanh và sinh khối rất sạch Nhược điểm chính của phương pháp này là màng hay bị bít tắc và sợi tảo bị gãy sẽ có nguy cơ làm tăng thêm chất hữu cơ trong môi trường

Những năm gần đây, một số cơ sở sản xuất tảo sử dụng thiết bị của hãng Waco (Canada) để tách Spirulina khỏi pha lỏng Thiết bị kết hợp kỹ thuật chân không với màng lọc rung Tuy vậy, một số tế bào tảo bị phá hủy khi qua thiết

bị sẽ làm ảnh hưởng xấu tới chất lượng dịch hoàn lưu

Những tảo đơn bào như Dunaliella, Chlorella, Scenedesmus,… thường đòi hỏi thu hoạch bằng ly tâm, lọc hoặc bằng phương pháp tạo bông

1.2.2.3 Phương pháp tạo bông

Hiện tượng tự kết lắng xảy ra khi pH tăng, khi tế bào lắng xuống cùng với

Ca2+, Mg2+ và muối photphat hoặc cacbonat Mặt khác, đây cũng là hậu quả của sự tương tác giữa tảo và vi khuẩn hoặc giữa tảo và các polyme hữu cơ trong môi trường

Ví dụ: Tảo Scenedesmus sinh trưởng tối ưu trong pH trung tính sẽ dễ dàng bị

kết lắng khi ta đưa pH lên 8,5

Kết lắng bằng các hóa chất: Những chất được coi là gây hiệu ứng tạo bông tốt đới với vi tảo là Sunphat, nhôm, Ca(OH)2, Sunphat sắt, clorua sắt và một số polyme khác Yếu điểm của phương pháp này là sinh khối tảo sau khi thu hoạch sẽ chứa một lượng hóa chất không mong muốn và bản thân phương pháp này sẽ làm ô nhiễm môi trường nuôi trồng nếu sau thu hoạch môi trường được hoàn lưu

1.3 Các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

1.3.1Các nghiên cứu về nuôi tảo

1.3.1.1 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

và cộng sự, 1991) Palmer, 1974 đã tiến hành khảo sát các chủng vi tảo phân bố trong

ao nước thải ổn định Thứ tự của sự phong phú và tần số xuất hiện tìm thấy của các

chủng vi tảo trong nước thải lần lượt là Chlorella, Ankistrodesmuss, Scenedesmus,

Euglena, Chlamydomonas, Oscillatoria, Micractinium và Gonlenkinia

Kỹ thuật xử lý nước thải bằng vi tảo dựa trên khả năng quang hợp và chuyển hóa năng lượng mặt trời thành sinh khối Đồng thời, nó còn dựa trên khả năng đồng hóa các chất dinh dưỡng như nitơ và photpho là nguyên nhân gây phú dưỡng Đề xuất

này 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

Vào đầu năm 1953, các nhà khoa học Đức đã nghiên cứu khả năng dung CO2phế thải của vùng công nghiệp Rhur để nuôi trồng Chlorella, Scenedesmus Nghiên cứu này được giáo sư Soeder và cộng sựu tiếp tục tiến hành trong nhiều năm sau đó Đầu những năm 1970, Chính Phủ Đức đã tài trợ 3 dự án lớn về nuôi trồng Scenedesmus tại Ấn Độ, Peerru, Thái Lan

Năm 1960 tại Tiệp Khắc các nhà khoa học đã xây dựng mô hình nuôi đại trà

Scenedemus trên nền bể có độ nghiêng 30 và tạo dòng chảy nhờ bơm kĩ thuật Cascade

Đầu những năm 1960, vi khuẩn lam Sprirulina lần đầu tiên được phát hiện tại

hồ Tchad, Châu Phi và nhanh chóng được các nhà khoa học Pháp đưa vào nuôi đại trà tại Texcoco, Mehico Hiện nay Sprirulina được nuôi đại trà khắp nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam

Có thể nói rằng hiện nay, tảo được khai thác dưới góc độ là nguồn thức ăn dinh dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, nguồn hóa chất và dược liệu, nguồn phân bón sinh học và đối tượng sinh học để xử lý môi trường

Luz Estela Gonzalez (1997) sử dụng vi tảo để xử lý nước thải sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế và môi trường thân thiện, sử dụng tảo nuôi trong hệ thống nước thải là một lời khuyên mang tính thời đại

Vi tảo là sự lựa chọn cho việc xử lý chất thải, có hiệu quả khi làm giảm những vật chất nguy hiểm chẳng hạn như kim loại nặng (Lindholm T., trích dẫn bởi Maria Asplusnd,2008)

Trong những nghiên cứu của Juerg Staudenmann, Ranka Junge – Berberovic (1998) về việc sử dụng nước thải Biogas cho một hệ thống gồm nhiều module liên tiếp: nước thải sẽ đi qua hệ thống module thực vật vĩ mô module vi tảo module zooplanton module ao cá kết hợp module các loài thực vật vĩ mô tự nhiên

Ở Anh, người ta nghiên cứu và ứng dụng nuôi cấy Spirulina maxima trong nước thải sau khi qua xử lý ở bể thổi khí ( Aeroten ) Mục đích của quá trình này là xử

lý triệt để nước thải và nuôi tảo ;làm nguồn Prôtêin CO2 được cung cấp từ các trạm nhiệt do đốt CH4 thu hồi từ quá trình lên men cặn

Năm 2010, Wang và cộng sự tiến hành thí nghiệm nuôi trồng giống tảo Chlorella vulgaris trong môi trường nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (COD đầu vào là 20180 mg/l)

Bảng 1.6 Tình hình nuôi trồng đại trà vi tảo trên thế giới giai đoạn 1996 -1997

xuất

Diện tích (ha)

Trung Quốc Spirulina 199,6 2798 Dinh dưỡng và xuất khẩu

Đài Loan Chlorella và

Spirulina 24 1600 và 460 Xuất khẩu

Triều Tiên Chlorella và một

số loài tảo khác 2480 400 Cho người và thủy sản

Hoa Kì Spirulina

Nitzschia

75 380 Cho người và động vật

Nguồn: Yuan – Kun Lee, 1997 1.3.1.2 Tại Việt Nam

Việt Nam có nguồn tài nguyên vi tảo rất phong phú với khoảng 2000 loài, trong

đó 651 loài là vi tảo đã được xác định có tiềm năng xử lý nước thải Nhiều loài vi tảo

như Spirulina, Chlorella, Dunaliella, Scenedesmus, Tetraselmis được đánh giá có hiệu

quả cao trong việc xử lý ô nhiễm hữu cơ

Từ năm 1972 các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu tảo do cố GS.TSKH Nguyễn Hữu Phước làm chủ trì

Năm 1976, viện thử nghiệm nuôi trồng tảo đã được tiến hành trong 4-5 tháng ở Nghĩa Đô, Hà Nội và thu được kết quả khả quan

Năm 1982, giáo sư Tiến sỹ khoa học Dương Đức Tiến và coongjsuwj của ông

đã thành lập phòng thí nghiệm sưu tầm và lưu giữ giống tảo đồng thời ứng dụng nuôi tảo quy mô lớn tại nhiều cơ sở: Nhà máy phân đạm Hà Bắc, Ninh Thuận, Bình Thuận, Gia Lầm – Hà Nội và đạt được nhiều kết quả khả quan

Năm 1985, Sở Y Tế TP.HCM đã tiếp nhận giống tảo đầu tiên do ông bà R.D.Fox tặng Sau đó, tảo giống được giao cho trạm nghiên cứu dược liệu giữ giống

và nuôi trồng

Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của vi tảo được

tiến hành Dương Thị Thành, 2009 đã nghiên cứu sử dụng tảo Tetraselmis sp để xử lý

nước thải ao nuôi tôm công nghiệp, với hiệu suất loại COD đạt 68,7%

Nghiên cứu hiệu quả kỹ thuật nuôi sinh khối tảo Chlorella sp sử dụng nước thải từ ao nuôi cá tra (Trần Chấn Bắc, 2013) cho thấy tảo Chlorella sp có khả năng

phát triển tốt trong môi trường nước thải ao nuôi cá tra

 Những nghiên cứu dùng tảo để xử lý nước thải ở Việt Nam:

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới rất thuận lợi cho việc sử dụng hồ sinh học để xử

lý nước thải và nuôi cá Nhưng thực tế cho đến nay Việt Nam chưa có hồ sinh học nào được xây dựng hoàn chỉnh Trong điều kiện nước ta hồ sinh học có thể là công trình

xử lý nước thải có hiệu suất xử lý cao, hiệu quả kinh tế lớn vì:

+ Điều kiện khí hậu thích hợp cho sự hoạt động của các loại vi khuẩn, tảo phân giải hữu cơ

+ Hồ sinh học có thể kết hợp nuôi cá và nuôi tảo làm thức ăn cho cá, nâng cao sản lượng cá nuôi

+ Có thể sử dụng hồ tự nhiên sẩn có để làm hồ sinh học

+ Mặc khác, tận dụng nguồn nước thải sinh hoạt và công nghiệp để nuôi tảo làm thức ăn bổ sung cho động vật và người là hướng nghiên cứu mới

Thời gian qua ở Việt Nam đã có các công trình sau:

• Đề tài "Áp dụng hệ thống hồ sinh học 3 bậc với thực vật nước để xử lý bổ sung nước thải nhiễm dầu trong điều kiện Việt Nam" Các tác giả Lâm Minh Triết, Nguyễn Trung Việt và cộng sự đã nghiên cứu các phương pháp xử lý nước thải chế biến dầu mỏ của nhà máy lọc dầu Cát lái TP.HCM có công xuất 40 triệu tấn/năm

Nước thải nhiễm dầu sau khi qua xử lý cơ học, hóa lý -Aeroten kết hợp với bể lắng 2 được tiếp tục xử lý bổ xung bằng hồ sinh học 3 bậc với sự tham gia của bèo lục bình, lau sậy và tảo Chlorella Kết quả hàm lượng dầu trong nước giảm 97 - 98% Lượng oxi hoa tan thải ra từ Chlorella tăng 0,7 - 9,8 mg/1, pH tăng từ 6,9 - 8,6,

• Đề tài " Xử lý nước thải bằng hồ sinh học với sự tham gia của tảo và lục binh

ở Việt Nam " của Lâm Minh Triết và J.C.L.Van Buuren có sự hợp tác giữa trung tâm nước - môi trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh với đại học nông nghiệp Wageningn, Hà Lan Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải của ló giết mổ và chế biến thịt heo ( Vissan ) cho thấy: Có thể giảm đáng kể hàm lượng BOD5, COD và chất

lơ lửng Đặc biệt hồ sinh học với sự tham gia của tảo rất hiệu quả trong việc làm giảm lượng Coliform

• Đề tài " Nuôi tảo Spirulina ở nước thải của hầm ủ khí sinh vật ", đã nghiên cứu sử dụng chất thải và sản phẩm sau hầm ủ khí sinh vật để nuôi trồng tảo Spirulina Kết quả tảo Spirulina sinh trưởng tốt trong môi trường sử dụng nước thải sau hầm ủ khí sinh vật với COD là 50 - 150mg/l, năng suất tảo đạt 10g/m2/ngày/đêm

• Đề tài " Vai trò của thực vật trong quá trình xử lý nước thải" Nghiên cứu

sử dụng một số thực vật nước như bèo lục bình, tảo Chlorella , rau muống, rau

ngổ để xử lý nước thải Các loài thực vật này sử dụng CO2 đồng thời cung cấp O2cho thủy vực Ví dụ: Chlorella cung cấp 9 - 20mgO2/1

• Các đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè bằng tảo của các sinh viên trường đại học sư phạm TP.HCM.Từ các nghiên cứu này cho thấy tảo có khả năng xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp rất tốt, rất thích hợp ở điều kiện Việt Nam

• Đề tài " Tình hình ô nhiễm do nước thải của xí nghiệp liên hợp phân đạm hóa chất Hà Bắc gây ra và giải pháp hạn chế ô nhiễm" của Dương Đức Tiến đã cho kết quả nước thải sau khi pha loãng có nồng độ NH4 là 80 -150mg/l có bổ sung một số chất dinh dưỡng Sau 3 ngày nuôi cấy tảo , hàm lượng NH3 giảm còn 0,05mg/l Năng suất tảo thu được 5 - 8g/m2/ngày

• Đề tài " Nghiên cứu quá trình xử lý sinh học và ô nhiễm nước ở một số hồ

Hà Nội "đã nghiên cứu dùng các sinh vật như tảo , bèo lục bình , bèo tấm , rong đuôi chó, các vi khuẩn tham gia chuyển hóa các hợp chất Nitơ đã đạt kết quả cao trong quá trình xử lý nước thải

• Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng hệ sinh thái tự nhiên để xử lý nước thải đô thị và tái tạo nguồn lợi trong điều kiện thành phố Hồ Chí Minh" của PGS TS Đoàn Cảnh

và ThS Phan Văn Minh đã nghiên cứu sử dụng hệ ao đơn xử lý nước thải thuộc lưu vực rạch Ruột Ngựa, quận 6 và 8 TP.HCM bằng tảovà phiêu sinh động vật kết hợp nuôi cá rô phi (Orechromis niloticus) cho kết quả tốt

Hình 1.4 Mô hình nuôi tảo

Hình 1.5 Bể nuôi vi tảo mô hình phòng thí nghiệm

1.3.2 Các nghiên cứu về thu hoạch tảo

Trên thế giới, người ta thu hoạch tảo bằng nhiều phương pháp khác nhau:

- Phương pháp ly tâm với việc sử dụng chất lắng đọng: Theo Glueke và Oswald (1965) đã nghiên cứu ảnh hưởng của phèn, cacbonmetyl-xenluloz bentonid và vôi đến hiệu quả thu hồi tảo bằng phương pháp ly tâm, học đã rút ra kết luận là khi cho các chất phụ gia đó vào dung dịch và đưa pH lên tới 6,8 thì việc thu hồi tảo bằng việc ly tâm là khá tốt

- Năm 1967 công ty SOSA (Meehico) đưa ra một phương pháp thu hoạch tảo khá kinh tế: Dịch tảo đầu tiên được lọc trên các tấm nghiêng nhờ tác dụng của trọng lực Sau đó dịch tảo được lọc tinh trên máy lọc trống quay hoạc ly tâm Theo phương pháp này không phải tiêu tốn hóa chất, sản phẩm tảo thu hoạch được đảm bảo vệ sinh, sạch

sẽ, thiết bị thu hoạch khá đơn giản.( Nguyễn Anh Dũng,1982)

- Tại Nhật Bản, tảo được thu hoạch bằng phương pháp tạo sóng nhân tạo trong bể nuôi

- Hiện nay ở Áo, người ta bơm dịch tảo lên các băng giấy Sau đó các băng giấy lẫn tảo được sử dụng làm thức ăn gia súc Ở Liên Xô, người ta tập trung ánh sáng đèn chiếu vào một vị trí nhất định Nồng độ tảo sẽ tăng lên, tảo thu hồi dễ dàng hơn

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ

2.1 Đặc tính nước thải 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

Nếu nước thải này không qua xử lý, thải trực tiếp ra môi trường thì ảnh hưởng rất lớn đến sức khoẻ con người và sinh vật sống khác

Trong nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải bằng bể Biogas của 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

Bảng 2.1 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý Biogas khu chuồng lợn

Bảng 2.2 Chỉ tiêu hóa học nước thải trước và sau khi xử lý Biogas

Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả của mô hình nuôi vi tảo xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas

Thông số Min Max Giá trị trung

Giá trị trung

Giá trị trung bình ±SD

Nhiệt độ (oC) 28.5 32.4 30.4 ± 1.19 28.5 32.9 30.8 ± 1.37

TN (mg/L)

201.8 295.7 239.3 ± 31.5 110.3 177.4 146.3 ± 20.9 22.7 49.8 38.4 ± 8.6

TP (mg/L)

77 177 128.6 ± 26.3 71.0 143 99.4 ± 21.72 6.5 42.6 22.1 ± 10.6 COD

2.2 Mục tiêu thiết kế của mô hình

- Sử dụng các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas như nguồn

chất dinh dưỡng giúp tảo Scenedesmus sinh trưởng và phát triển

- Đảm bảo nước thải đầu ra đạt QCVN62-MT:2016/BTNMT (cột B)

- Thời gian hoạt động của hệ thống: 10 năm

Mức độ ô nhiễm do nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas được đánh giá thông qua việc so sánh giá trị nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải với nồng độ tối đa cho phép trong QCVN 62-MT:2016/BTNMT (loại B) liệt kê trong bảng sau:

Bảng 2.4 Thông số nước thải đầu vào

MT:2016/BTNMT (cột B)

- Lưu lượng và đặc trưng dòng thải, tính chất nước thải đầu vào

- Yêu cầu khả năng sử dụng triệt để các công trình

- Điều kiện mặt bằng và địa chất thủy văn khu vực

- Mỹ quan công trình

- Giá cả của vật liệu xây dựng và kiến trúc

- Chi phí đầu tư về quỹ sử dụng đất

- Khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi của tảo

Scenedesmus

2.4 So sánh công nghệ và lựa chọn phương án

 Đề xuất sơ đồ công nghệ

 Phương án 1: thu hoạch tảo bằng phương pháp lọc màng

Nước thải sau hầm biogas Máy cấp khí Bể điều hòa

Máy cấp khí Bể nuôi tảo

Bể thu hồi tảo( lọc màng) Tảo

Hồ sinh học

Chú thích:

Đường không khí

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Nước thải từ trang trại chăn nuôi sau khi qua song chắn rác để loại bỏ rác có kích thước lớn, sau đó được dẫn đến hầm biogas Trước và sau hầm biogas có bố trí bể điều áp để điều chính áp suất và mực nước trong hầm Trong hầm Biogas, các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành các chất hòa tan và các chất khí Qua quá trình hàng ngàn phản ứng, phần lớn carbon, hydro, oxy bị chuyển hóa chủ yếu thành methane và khí carbonic Khí được thu hồi làm chất đốt hoặc dung để phát điện và bùn ủ dung để làm phân bón Nước thải được lưu trong hầm

từ 20-60 ngày, sau đó được dẫn đến bể điều hòa Tại bể điều hòa nước thải được pha loãng đến nồng độ chất ô nhiễm phù hợp sau đó được dẫn đến bể nuôi tảo Tại đây, Tảo sử dụng Nito, Phospho trong nước thải như một nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng

và phát triển, nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải giảm Nước thải được lưu tại bể

nuôi tảo trong vòng 14 ngày sau đó được dẫn đến bể thu hoạch tảo Tảo được thu hoạch bằng phương pháp lọc màng Sau đó, nước thải sẽ được dẫn đến hồ sinh học để phục vụ cho việc tưới tiêu

Phương án 2: Thu hoạch tảo bằng tạo sóng nhân tạo trong bể nuôi

Nước thải sau hầm biogas

Máy cấp khí Bể điều hòa

Máy cấp khí Bể nuôi tảo thu sinh khối tảo

Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Nước thải từ trang trại chăn nuôi sau khi qua song chắn rác để loại bỏ rác có kích thước lớn,sau đó được dẫn đến hầm biogas Trước và sau hầm biogas có bố trí bể điều áp để điều chính áp suất và mực nước trong hầm Trong hầm Biogas, các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành các chất hòa tan và các chất khí Qua quá trình hàng ngàn phản ứng, phần lớn carbon, hydro, oxy bị chuyển hóa chủ yếu thành methane và khí carbonic Khí được thu hồi làm chất đốt hoặc dung để phát điện và bùn ủ dung để làm phân bón Nước thải được lưu trong hầm

từ 20-60 ngày, sau đó được dẫn đến bể điều hòa Tại bể điều hòa nước thải được pha

loãng đến nồng độ chất ô nhiễm phù hợp sau đó được dẫn đến bể nuôi tảo Tại đây, Tảo sử dụng Nito,Phospho trong nước thải như một nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng

và phát triển, nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải giảm Nước thải được lưu tại bể nuôi tảo trong vòng 14 ngày Khi tảo sinh trửng và phát triển kết với nhau tạo thành từng mảng trên mặt nước và được thu hồi bằng hệ thống tạo sóng nhân tạo trong bể nuôi tảo Sinh khối tảo được thu hồi và đem đi sấy khô Nước thải sẽ được dẫn đến hồ sinh học để phục vụ cho việc tưới tiêu

Đánh giá

Ưu điểm

- Chức năng xử lý của hai phương án như nhau

- Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải giảm

- Đảm bảo nước thải đầu ra

- Chi phí đầu tư không cao lắm

- Lợi ích kinh tế từ việc nuôi tảo mang lại

Nhược điểm

- Vì sinh khối tảo rất nhỏ khi

áp dụng quy mô nuôi trồng lớn, khi thu hoạch dễ gây tắt nghẽn màng lọc và tốn thời gian

- Chi phí đầu tư cao

- Áp dụng được cho quy mô lớn và

hệ thống thu hoạch tảo dễ vận hành

- Chi phí xây dựng và vận hành thấp hơn

Nước thải trong quá trình nuôi tảo có nồng độ BOD5 75% nồng độ nước thải ban đầu vì vậy, tại bể điều hòa cần pha loãng nước thải để đạt nồng độ BOD5 75%

 Lựa chọn phương án pha loãng nước thải:

- Nồng độ nước thải đầu vào BOD5 75%

- Lưu lượng nước thải vào bể điều hòa 8m3/ngày

- Chi phí xây dựng là không đổi

 Lựa chọn 1: Pha loãng nước thải bằng cách sử dụng nước sạch để pha loãng

Với Vđh = 8m3 /ngàyvà nồng độ nước thải đạt 75% thì cần 1,5m3 nước sạch để pha loãng

Bảng 2.5 Chi phí phải trả khi sử dụng nước sạch để pha loãng trong thời gian

hoạt động

(đồng/m 3 )

2 Đơn vị sự nghiệp, dịch vụ công cộng 9.955

1,5m3 /ngày 365 ngày 10 năm 11615 ( đồng/m3

) = 63.592.125 (đồng)

 Lựa chọn 2: Tuần hoàn nước sau bể nuôi tảo

Với: Nồng độ BOD5 đầu vào 232 mg/l

C1V1 : nồng độ BOD5 và lưu lượng nước thải ban đầu

C2V2 : nồng độ BOD5 và lưu lượng nước thải tuần hoàn sau bể nuôi tảo

C : nồng độ BOD5 nước thải đạt 75% nồng độ BOD5 nước thải ban đầu V: thể tích nước sau khi pha loãng

Ta có:

 V2 = 20%V1

Để nồng độ BOD5 nước thải đạt 75%, thì lượng nước tuần hoàn sau nuôi tảo chiếm 20% lượng nước thải đầu vào

Lựa chọn 1: Pha loãng nước thải bằng

- Tiết kiệm chi phí

- Nước thải đầu ra sau nuôi tảo được tuần hoàn lại bể điều hòa và tiếp tục cung cấp nước cho mương nuôi tảo

=> nồng độ chất ô nhiễm giảm và đạt QCVN 62 – MT: 2016/BTNMT (cột B)

 Chọn phương pháp nuôi và thu hoạch tảo bằng tạo sóng nhân tạo trong bể nuôi tảo và tuần hoàn một lượng nước sau nuôi tảo

2.5 Cơ sở thiết kế

Cơ sở thiết kế dựa vào kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được thực

hiện bởi tác giả Nguyễn Võ Phương Ngân “ Nghiên cứu thử nghiệm mô hình nuôi vi

tảo Scenedesmus xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm Biogas, đồ án tốt nghiệp,2016”

 Nồng độ nước thải 75% có tải trọng 0.08 kg COD/m3.ngày ( BOD5, COD, TN, TP)

 Thời gian phát triển của tảo: 14 ngày

 Tốc độ tăng trưởng của tảo: tảo tăng trưởng tốt trong môi trường nước thải

 Kích thước trung bình của tảo 10 m

 Thời gian lắng của tảo: 3 ngày

 Thời gian hoạt động của công trình 10 năm

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH NUÔI VÀ THU

HOẠCH TẢO SCENEDESMUS

3.1 Thông số thiết kế

Quy mô trang trại: Trang trại chăn nuôi heo 500 con heo công suất nước thải 8m3/ngày

Lượng nước thải vào bể điều hòa:

Lưu lượng trung bình ngày vào bể điều hòa Qngày = 8 m3/ngày

Lưu lượng giờ trung bình = 0,3333 m3/h

Lưu lượng giây trung bình = 10-4 m3/s

Bảng 3.1 Bảng dự đoán hiệu suất qua các công trình

trình

Hiệu suất (%)

Đầu

ra

QCVN 62 – MT: 2016/BTNMT (cột B)

BOD5

Bể nuôi tảo