Tăng sinh khối tảo trên môi trường nước tổng hợp từ hoá chất và môi trường nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học.Xác định quá trình tăng trưởng của tảo thông qua thông số mật độ quang và hàm lượng chlorophylla.Lựa chọn mật độ tế bào cao nhất để phản ứng với ferrate.Xác định hiệu quả xử lý N — NH4l N — N03, p — P04 khi sử dụng tảo Chlorella vulgaris.Xác định hiệu quả xử lý tảo bằng ferrate thông qua thông số mật độ quang và hàm lượng chlorophylla.So sánh hiệu quả xử lý tảo bằng ferrate với phèn nhôm. Xác định hàm lượng ferrate và pH tối ưu.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG NHẬT TÂN ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG BẰNG TẢO CHLORELLA VULGARIS VÀ LOẠI BỎ TẢO BẰNG FERRATE Chuyên ngành: Mã số: Kỹ thuật môi trường 60 52 03 20 LUẬN VẨN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQGHCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Trần Tiến Khôi TS Đặng Vũ Bích Hanh Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Mai Tuấn Anh Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Bùi Xuân Thành Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 18 tháng 01 nằm 2017 Thành phần Hộỉ đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Phước Dân (CT) TS Nguyễn Xuân Dương (ƯV) PGS.TS Mai Tuấn Anh (PB1) PGS.TS Bùi Xuân Thành (PB2) TS Nguyễn Nhật Huy (TK) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản ỉý chuyên ngành sau khỉ luận văn sửa chữa (nếu cố) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập ■ Tự ■ Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRƯƠNG NHẬT TÂN MSHV:7140480 Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1991 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định Chun ngành: Kỳ thuật mơi trường Mã ngành: 60 52 03 20 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG BẰNG TẢO CHLORELLA VULGARIS VÀ LOẠI BỎ TẢO BẰNG FERRATE II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tăng sinh khối tảo môi trường nước tổng hợp từ hố chất mơi trường nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học Xác định q trình tăng trưởng tảo thơng qua thơng số mật độ quang hàm lượng chlorophyll-a Lựa chọn mật độ tế bào cao để phản ứng với ferrate Xác định hiệu xử lý N — NH4l N — N03, p — P04 sử dụng tảo Chlorella vulgaris Xác định hiệu xử lý tảo ferrate thông qua thông số mật độ quang hàm lượng chlorophyll-a So sánh hiệu xử lý tảo ferrate với phèn nhôm - Xác định hàm lượng ferrate pH tối ưu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 V CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: TS.TRẦN TIẾN KHƠI TS.ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH Tp HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ HƯỞNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đe hoàn thành luận văn thạc sĩ, cố gắng nỗ lực riêng thân, có hỗ trợ giúp đỡ từ q thầy cơ, gia đình bạn bè, tơi xin trân trọng cảm ơn: Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy, Cô hướng dẫn TS Trần Tiến Khôi TS Đặng Vũ Bích Hạnh - người định hướng truyền đạt kiến thức quý báu, kiến thức quý báu tảng vững cho tơi thực luận văn Ngồi ra, Thầy, Cơ cho lời khuyên kịp thời để giải vấn đề nghiên cứu gặp phải, tài trợ cho tơi kinh phí thí nghiệm Thầy, Cơ người đồng hành tơi suốt q trình thực đề tài, từ việc hướng dẫn trình làm thí nghiệm, thiết lập mơ hình thí nghiệm, hướng dẫn viết phân tích số liệu Tôi xin cảm ơn Thầy Cô tạo điều kiện tốt mặt để tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Môi Trường Tài Nguyên - Đại Học Bách Khoa Tp.HCM nhiệt tình truyền thụ kiến thức chia sẻ kinh nghiệm thực tế quý báu cho suốt khoảng thời gian học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn Ban quản lý phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.HỒ Chí Minh hỗ trợ thiết bị phân tích bố trí phòng thí nghiệm riêng phù hợp với kế hoạch thực luận văn Sau cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối vói gia đình, người thân bạn bè ủng hộ, động viên tinh thần đồng hành tơi suốt khóa học TP HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2016 TRƯƠNG NHẬT TÂN TÓM TẮT Mục tiêu nghiên cứu đánh giá tăng trưởng tảo Chlorella vulgaris môi trường nước thải sinh hoạt, việc xử lý N, p từ nguồn nước thải tảo tăng trưởng khả keo tụ tảo bang ferrate Tốc độ tăng trưởng đặc thù |I môi trường F/2 nước thải sinh hoạt 0,23 ngày_1 0,346 ngày Theo kết thí nghiệm, hiệu suất xử lý N-NH4, N-NO3 P-PO4 đạt 89% - 93%, 64%76%, 69% - 88% Tiếp theo, để khảo sát hiệu keo tụ ferrate thông qua liều lượng ferrate (4 - 20 mgFe/L) so với phèn nhơm thí nghiệm giá trị pH (5 - 9) liều lượng (4 - 20 mgAl/L) Kết thí nghiệm cho thấy pH thích hợp để loại bỏ tảo bang ferrate Trong điều kiện tối ưu, ferrate cho hiệu keo tụ tảo cao phèn nhôm Tại hàm lượng 12 mg/L hiệu tách tảo đạt cao (84% - 97%) Ket keo tụ cho thấy việc sử dụng ferrate có khả tách tảo tốt phèn nhôm sử dụng hàm lượng Từ kết nghiên cứu, cho thấy việc sử dụng công nghệ vi tảo tiềm thay việc loại bỏ chất dinh dưỡng công nghệ sinh học Đồng thời, việc sử dụng ferrate để loại bỏ tảo Chlorella vulgaris khỏi nước thải có nhiều lợi so với phèn nhôm hiệu suất keo tụ cao lại sản sinh bùn so với phèn nhơm ABSTRACT The objective of this study was to evaluate the growth of green algae Chlorella vulgaris on municipal wastewater, how well the algal growth removed nitrogen, phosphorus and coagulation algae by ferrate The average special growth rates in the exponential period were 0.23 and 0.35 day _1 for medium F/2 and municipal wastewater, respectively The removal rates of N-NH4, N-NO3, and P-PO4 were 89% - 93%, 64%- 76%, and 69% - 88%, respectively The dosages of ferrate (4 - 20 mgFe/L), dosages of aluminium sulphate (5 - 25 mgAl/L) and pH range (5 - 9) were varied in order to investigate the effects of these factors on treatment performance The study demonstrates that pH is the optimal pH to remove algae Ferrate can higher remove algae than aluminium sulphate in the optimal pH condition The removal efficiency was 84% - 97% at 12 mgFe/L The results of this study suggest that microalgae technology may be potentially alternative for removing organic substances by biotechnology Moreover, the coagulation of ferrate removed Chlorella vulgaris cells was evaluated better and lower dose than aluminium sulphate CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập -Tự - Hạnh phúc -oOo— LỜI CAM ĐOAN Họ tên học viên: TRƯƠNG NHẬT TÂN MSHV: 7140480 Ngày tháng năm sinh: 17/11/1991 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định Chun ngành: Kỹ thuật mơi truờng Tên đề tài: Đánh giá hiệu xử lý chất dinh dưỡng tảo Chlorelỉa vulgaris loại bỏ tảo ferrate Ngày bắt đầu: 11/01/2016 Ngày hoàn thành: 04/12/2016 Cán huớng dẫn: TS.TRẦN TIẾN KHƠI TS.ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Những kết số liệu luận văn chua đuợc cơng bố duới hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm truớc Nhà truờng cam đoan Tp HCM, ngày 26 thảng 12 năm 2016 TRƯƠNG NHẬT TÂN MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT V ABSTRACT vi DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH V DANH MỤC VIẾT TẮT vii CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 1.4.1 Ý nghĩa khoa học 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu Chlorella vulgaris 2.1.1 Phân loại tên khoa học 2.1.2 Đặc điếm Chlorella vulgaris 2.1.3 Hình thức sinh sản Chlorella vulgaris 2.2 Ánh hưởng tảo đến môi trường 2.3 Các phương pháp loại bỏ tảo .6 2.3.1 Keo tụ - tạo 2.3.2 Lọc .8 -i- 2.3.3 Tuyển 2.4 Ferrate 2.4.1 Khái quát ferrate 2.4.2 Tính chất hoá học 2.4.3 Phương pháp điều chế ferrate 12 2.5 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 14 2.5.1 Nghiên cứu giới 14 2.5.2 Nghiên cứu Việt Nam 18 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cửu 20 3.1 Nội dung nghiên cứu 20 3.2 Nguyên vật liệu 22 3.2.1 Tảo Chlorella vulgaris môi trường nuôi cấy 22 3.2.2 Phương pháp phân lập tăng sinh khối tảo 22 3.2.3 Mau nước thải 24 3.2.4 Ferrate 25 3.2.5 Phèn nhôm 25 3.2.6 Các thiết bị dụng cụ 25 3.3 Mơ hình nghiên cứu 25 3.3.1 Mơ hình theo mẻ 25 3.3.2 Mô hình liên tục 26 3.4 Phương pháp phân tích 26 3.4.1 Phương pháp điều chế ferrate 26 3.4.2 Phương pháp xác định tăng trưởng tảo 28 3.4.3 Phương pháp loại bỏ tảo 30 -ii- 3.4.4 Thống kê số liệu 32 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 4.1 Kết điều chế ferrate 33 4.1.1 Dung dịch ferrate từ phương pháp oxy hóa ướt 33 4.1.2 Bột ferrate kết tinh 33 4.2 Quá trình tăng trưởng tảo 33 4.3 Hiệu xử lý nước thải tảo 39 4.4 Đánh giá khả loại bỏ tế bào tảo khỏi nước thải 48 4.4.1 Ảnh hưởng pH xử lý tảo 49 4.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng keo tụ xử lý tảo 59 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 5.1 Kết luận 62 5.2 Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 71 -iii- Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 Hàm lượng phèn nhôm (mgAl/L) Hàm lượng Ferrate (mgFe/L) Hình 4.13: Hiệu xử lý tảo pH (a) Sử dụng phèn nhôm (b) Sử dụng ferrate Tương tự vói pH 5, hiệu keo tụ tăng tăng liều lượng phèn nhôm sử dụng pH (hình 4.14a) Hiệu đạt 72% theo OD680 69% theo Chlorophyll- a Điều lần nhắc đến chế xử lý phèn nhôm chế keo tụ Khi sử dụng ferrate, hiệu keo tụ để loại bỏ tảo cao với pH điều 50 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 kiện thí nghiệm Hiệu xử lý đạt 98% theo OD680 đạt 89% theo Chlorophyll-a (hình 4.14b) Hàm lượng phèn nhơm (mgAl/L) Hàm lượng Ferrate (mgFe/L) Hình 4.14: Hiệu xử lý tảo pH (a) Sử dụng phèn nhôm (b) Sử dụng ferrate Lý thuyết keo tụ phèn nhôm rõ, phèn nhôm keo tụ tốt môi trường axit yếu trung tính Ket thí nghiệm (hình 4.15a) đạt hiệu xử lý 51 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 tảo cao pH = Tại pH này, hiệu suất xử lý tảo đạt tới 95% theo OD680 90% theo chlorophyll-a Ket thí nghiệm với mong đợi mà pH pH tối ưu cho trình loại bỏ tế bào tảo Đối với ferrate pH tăng giải phóng nhiều kết tủa sắt vơ định hình nên hiệu suất keo tụ tiếp tục tăng lên Hiệu suất xử lý tảo đạt 98% theo OD680 89% theo chlorophyll-a (hình 4.15b) Hàm lượng phèn nhơm (mgAl/L) Hàm lượng Ferrate (mgFe/L) Hình 4.15: Hiệu xử lý tảo pH (a) Sử dụng phèn nhôm (b) Sử dụng ferrate 52 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 Tại pH 8, hiệu xử lý tảo sử dụng phèn nhơm đạt 73% OD680 71% theo chlorophyll-a (hình 4.lóa) Ket thấp nhiều so với hiệu xử lý pH thấp khoảng 21% Đối với ferrate tốc độ phân hủy Fe(VI) thành Fe (III) phụ thuộc lớn vào pH, nồng độ ferrate ion tồn pH tăng giải phóng nhiều kết tủa sắt vơ định hình nên hiệu suất keo tụ tiếp tục tăng lên pH hiệu xử lý đạt cao Hiệu xử lý tương tự với pH đạt 98% theo OD680 99% theo chlorophyll-a (hình 4.16b) Liều lượng từ đến 12 mgFe/L, hiệu keo tụ cao 90% tốc độ tạo thành Fe (III) pH cao, liều lượng Fe (III) phóng thích nhanh chóng nhiều pH thí nghiệm, nên tượng keo tụ “quét” đạt trị số cao nhất, kết đạt 98% hiệu suất loại bỏ tế bào tảo Tại hàm lượng từ - mgFe/L hiệu keo tụ giảm tốc độ tạo thành Fe (III) thấp Hàm lượng phèn nhôm (mgAl/L) 53 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 100 80 ^ 60 S X I 40 i'Cd hiệu keo tụ ferrate giảm Khi tăng liều lượng phèn nhôm hay ferrate hiệu xử lý tế bào tảo tăng đạt giá trị tối đa, sau ổn định bắt đầu giảm Nguyên nhân gây giảm hiệu xử lý liều lượng phèn nhôm hay ferrate vượt mức chất cần cho phản ứng, từ xảy nhiều ảnh hưởng phức tạp khác mà chủ yếu thân phèn nhôm hay ferrate thành phần làm gia tăng mức độ nhiễm đồng thời phèn nhơm hay ferrate cản trở q trình keo tụ làm cho hiệu xử lý giảm Bên cạnh đó, kết luận khác rút từ hình từ 4.21 - 4.22 hiệu keo tụ tách tảo phụ thuộc đáng kể vào pH pH ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy khả oxi hóa ferrate Điện oxi ferrate đạt trị số cao E = 2,2V môi trường axit giảm nhanh môi trường bazơ E= 0,72V [32, 71], Kết thí nghiệm cho thấy phù họp với lý thuyết đặc tính ferrate, hong dãy giá trị pH từ đến hiệu keo tụ đạt giá trị cao pH (hình 4.14 - 4.15) Đối với phèn nhơm hóa chất keo tụ tốt mơi trường trung tính axit yếu Ket thí nghiệm đạt kết mong đợi với hiệu keo tụ tảo tốt pH (hình 4.18 - 4.19) 56 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 Hàm lượng Ferrate (mgFe/L) Hình 4.18: Hiệu keo tụ tế bào tảo theo OD680 (a) Theo phèn nhôm (b) Theo ferrate 57 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 Hàm lượng ferrate (mgFe/L) Hình 4.19: Hiệu keo tụ tế bào tảo theo Chỉorophyỉỉ-a (a) Theo phèn nhôm (b) Theo ferrate Không thế, sau keo tụ bang ferrate tế bào tảo có xu hướng kết dính lại vói khơng có tượng bị vỡ tế bào hình 4.20 Điều 58 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 chứng tỏ rằng, ferrate có tiềm loại bỏ độc tố loại tảo lam Microcystis aeruginosa Hình 4.20: Tế bào tảo sau keo tụ ferrate 4.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng keo tụ xử lý tảo Từ kết pH tối ưu mục 4.4.1 tiến hành thí nghiệm để tìm hàm lượng phèn nhôm hàm lượng ferrate tối ưu xử lý tảo môi trường nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học quy mơ phòng thí nghiệm Như trình bày mục 3.2.3, tảo c vulgaris ni hai loại nước thải có nồng độ đầu vào khác theo mẻ Mơ hình có kích thước 30 X 35 X 60 (cm) vật liệu kính Mơ hình đặt bên ngồi để sử dụng ánh sáng mặt trời, số lượng tế bào ban đầu khoảng triệu tế bào/mL Ngoài ra, nước thải (NT1) có nồng độ đầu vào thấp nước thải (NT2) Đối vói khả keo tụ ferrate hiệu keo tụ chia thành vùng liều lượng rõ rệt, hiệu keo tụ tăng từ liều lượng đến 12 mgFe/L hiệu keo tụ giảm từ liều lượng 16 đến 20 mgFe/L Hình 4.24 cho thấy hiệu keo tụ đạt cao hàm lượng 12 mgFe/L với 84% (theo OD680), 87% (theo chlorophyll-a) đối vói NT1 đạt 97% (theo OD680), 98% (theo chlorophyll-a) NT2 Điều hồn tồn lý giải dựa chế keo tụ ferrate, bao gồm chế trung hòa điện tích tượng bám dính Thông thường, nước tự nhiên, hạt keo tồn chủ yếu dạng keo âm Do hạt keo on định lực tĩnh điện Như trình bày mục 4.5.1 vùng hàm lượng từ đến 12 59 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 mgFe/L ferrate phóng thích nhiều hydroxit sắt tích điện (Fe(OH)2+, Fe(OH)2+) (dạng tồn chủ yếu muối sắt nước), có xu hướng hấp phụ mạnh hạt keo, bao gồm vi khuẩn chất ô nhiễm dạng keo khác, kết trung hòa điện tích xảy dẫn đến q trình keo tụ Tuy nhiên, sử dụng ferrate, tượng bám dính xảy (còn gọi hiệu ứng qt) xảy để hình thành lượng kết tủa vơ định hình Fe(OH)3 cao vùng liều lượng cao pH trung tính đến kiềm [34], Do đó, vùng liều lượng từ 16 đến 20 mgFe/L tượng bám dính xảy hạt keo bám dính khỏi nước nhờ kết tủa vơ định hình hệ keo lại trở nên tái ổn định nên hiệu keo tụ giảm Đối với phèn nhôm hiệu keo tụ tăng liều lượng phèn nhôm tăng từ đến 20 mgAl/L Hiệu keo tụ đạt cao liều lượng 20 mgAl/L với 82% (theo OD68O)> 84% (theo chlorophyll-a) NT1 đạt 83% (theo OD680), 84% (theo chlorophyll-a) NT2 Tương tự ferrate sử dụng phèn nhơm làm chất keo tụ xảy trình thủy phân tạo Al3+ dễ dàng hấp tụ điện tính trái dấu để trung hòa hạt keo hình thành q hình keo tụ Với liều lượng cao 20 mgAl/L hệ keo tụ ổn định nên hiệu keo tụ giảm 100 a) 80 3Bt= s—V ^ 60 * ỡ Ù % OD680 NT1 ũ % Chlorophyll-a NT1 ■ % OD680 NT2 + % Chlorophyll-a NT2