NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CHLORELLA SP. TRÊN HỆ PHẢN ỨNG MỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Hải Yến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CHLORELLA SP TRÊN HỆ PHẢN ỨNG MỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC Hà Nội – 06/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Hải Yến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CHLORELLA SP TRÊN HỆ PHẢN ỨNG MỞ Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC Hướng dẫn Hướng dẫn TS Trần Đăng Thuần PGS TS Lê Thị Phương Quỳnh Hà Nội – 06/2020 Lời cam đoan Luận văn tơi có sử dụng kế thừa số liệu đề tài nghiên cứu khoa học sau tiến sĩ với tên đề tài “Nghiên cứu tận dụng chất dinh dưỡng nước thải đô thị nuôi vi tảo Chlorella sp ứng dụng sinh khối vi tảo thơng qua chiết xuất chất kích thích sinh trưởng sản xuất phân bón sinh học” với mã số GUST.STS.ĐT2017-ST03 chủ trì Học viện Khoa học Công nghệ Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả loại bỏ hợp chất nitơ phốtpho nước thải đô thị Chlorella sp hệ phản ứng mở” cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi Các kết trình bày luận văn trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn, thơng tin trích dẫn ghi rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Hải Yến Lời cảm ơn Trong trình học tập thực khóa luận tốt nghiệp này, tơi nhận nhiều động viên, hướng dẫn tận tình thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, lịng kính trọng đến thầy TS Trần Đăng Thuần cô PGS TS Lê Thị Phương Quỳnh dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm, bảo tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, thực đề tài Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo Khoa Công nghệ Sinh học – Học viện Khoa học Công nghệ giúp đỡ suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn cô PGS TS Dương Thị Thủy anh chị Phòng Thủy sinh học mơi trường (Viện Cơng nghệ mơi trường), Phịng Phân tích ứng dụng (Viện Hóa học) Phịng Hóa mơi trường – CTC (Viện Hóa học Hợp chất thiên nhiên) em sinh viên nghiên cứu khóa 9, 10 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội phịng thí nghiệm giúp đỡ tơi suốt q trình thực thí nghiệm đề tài Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2020 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu BOD BTNMT COD DNA HARP PACl QCVN RNA TCVN TN TP TSS WSP XLNT Nghĩa từ Biochemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa sinh học Bộ Tài nguyên Môi trường Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa hóa học Deoxyribonucleic Acid High rate algal ponds – Hệ thống ao nuôi tảo tốc độ cao Poly Aluminium Chloride Quy chuẩn Việt Nam Ribonucleic Acid Tiêu chuẩn Việt Nam Total nitrogen – Tổng nitơ Total phosphorous – Tổng phốtpho Total solid suspended – Tổng chất rắn lơ lửng Waste stabilization pond systems – Hệ thống ao ổn định Xử lý nước thải MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1.1.1 Khái niệm, thành phần nước thải đô thị 1.1.2 Đặc điểm nước thải đô thị 1.1.3 Hiện trạng nước thải đô thị Việt Nam 1.2 CƠ CHẾ TIÊU THỤ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI BỞI VI TẢO 10 1.3 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO CHLORELLA 12 1.3.1 Đặc điểm cấu tạo hình thái, sinh sản 12 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển Chlorella 14 1.3.2.1 Nhiệt độ 14 1.3.2.2 Ánh sáng 14 1.3.2.3 pH 15 1.3.2.4 Dinh dưỡng 16 1.3.2.5 Kim loại 17 1.3.3 Ứng dụng vi tảo Chlorella 18 1.3.3.1 Thức ăn cho người động vật 18 1.3.3.2 Nhiên liệu sinh học 19 1.3.3.3 Sản xuất phân bón sinh học 19 1.3.3.4 Sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm 19 1.3.4 Một số ứng dụng vi tảo Chlorella xử lý nguồn nước thải 20 1.3.4.1 1.3.4.2 Xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị 20 Xử lý nước thải chăn nuôi, ao nuôi trồng thủy sản 21 1.3.4.3 Xử lý nước thải công nghiệp 22 1.4 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI KẾT HỢP NUÔI CẤY TẢO 23 CHƯƠNG NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 25 2.2 NGUYÊN VẬT LIỆU 26 2.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 30 2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.4.1 Phương pháp tổng hợp kế thừa tài liệu 31 2.4.2 Phương pháp lấy mẫu 31 2.4.3 Phương pháp thực nghiệm 32 2.4.4 Phương pháp phân tích 38 2.4.4.1 Phương pháp phân tích chất lượng nước 38 2.4.4.2 Phương pháp xác định mật độ vi tảo 38 2.4.4.3 Phương pháp xác định nồng độ tổng sinh khối 39 2.4.4.4 Phương pháp xác định hàm lượng Chlorophyll-a b 39 2.4.4.5 2.4.4.6 Phương pháp đánh giá kết 40 Phương pháp xử lý số liệu trình bày kết 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 ĐẶC TÍNH NƯỚC THẢI SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 43 3.2 DIỄN BIẾN CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG 44 3.3 SINH TRƯỞNG CỦA CHLORELLA SP NUÔI TRONG HỆ PHẢN ỨNG 50 L VÀ DIỄN BIẾN CÁC THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 48 3.4 SINH TRƯỞNG CỦA CHLORELLA SP NUÔI TRONG HỆ PHẢN ỨNG 500 L VÀ DIỄN BIẾN THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 51 3.5 HIỆU SUẤT LOẠI BỎ DINH DƯỠNG N, P VÀ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BỞI CHLORELLA SP NUÔI TRONG HAI HỆ 50 L VÀ 500 L 54 3.6 THU HOẠCH SINH KHỐI VÀ NĂNG SUẤT SINH KHỐI 61 3.6.1 Thu hoạch sinh khối 61 3.6.2 Năng suất sinh khối 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 4.1 KẾT LUẬN 66 4.2 KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học số chủng Chlorella 13 Bảng 2.1: Danh mục hóa chất 26 Bảng 2.2: Danh mục dụng cụ - thiết bị thí nghiệm 29 Bảng 2.3: Thành phần môi trường nhân tạo BG-11 [75] 33 Bảng 3.1: Đặc tính nước thải đầu vào sử dụng nghiên cứu 44 Bảng 3.2: Diễn biến nhiệt độ nước, pH cường độ ánh sáng đến sinh trưởng Chlorella sp nuôi hệ 50 L 500 L 47 Bảng 3.3: Các thông số tăng trưởng Chlorella sp nuôi hệ phản ứng quy mô 50 L (n=2) 48 Bảng 3.4: Các thông số tăng trưởng Chlorella sp nuôi hệ phản ứng quy mô 500 L (n=2) 51 Bảng 3.5: So sánh trạng nước thải đô thị sau xử lý Chlorella sp hệ 50 L 500 L theo QCVN 14: 2008/BTNMT 58 Bảng 3.6: So sánh khả loại bỏ chất dinh dưỡng N, P COD loài vi tảo Chlorella sp nuôi nguồn nước thải khác 60 Bảng 3.7: Tổng hợp suất sinh khối hỗn hợp vi tảo-vi sinh vật nuôi hệ thống mương mở 65 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Nước thải thị chưa qua xử lý đổ trực tiếp vào sông Tô Lịch 10 Hình 1.2: Mối quan hệ cộng sinh vi tảo vi khuẩn xử lý 11 nước thải 11 Hình 1.3: Chlorella sp 12 Hình 2.1: Chlorella phân lập từ hồ Ngọc Khánh, Hà Nội (Chlorella sp.) 25 Hình 2.2: Thực nghiệm lấy nước thải (A), nước thải đô thị lọc túi lọc trước dùng nuôi vi tảo Chlorella sp (B) 31 Hình 2.3: Sơ đồ quy trình nghiên cứu 32 Hình 2.4: Mơ hình xử lý nước thải đô thị vi tảo quy mơ 50 L 35 Hình 2.5: Mơ hình xử lý nước thải đô thị vi tảo quy mơ 500 L 37 Hình 3.1: Diễn biến thơng số dinh dưỡng q trình xử lý nước thải hệ phản ứng quy mô 50 L (n=2) 50 Hình 3.2: Diễn biến thơng số dinh dưỡng q trình xử lý nước thải hệ phản ứng quy mô 500 L (n=2) 54 Hình 3.3: Hiệu suất xử lý COD, NH4+-N PO43 P Chlorella sp nuôi hai hệ phản ứng 50 L (A) 500 L (B) (n=2) 57 Hình 3.4: Các bước thu hoạch sinh khối vi tảo-vi sinh vật 63 MỞ ĐẦU Ngày vấn đề ô nhiễm môi trường mối quan tâm lớn xã hội Quá trình gia tăng dân số nhanh chóng, cách mạng cơng nghiệp thị hóa dẫn đến hình thức nhiễm mơi trường khác nhiễm nước, đất, khơng khí Trong nhiễm nguồn nước ngày trở nên nghiêm trọng Nước thải không qua xử lý từ hoạt động người sinh hoạt ngày nước thải công nghiệp, dịch vụ từ nhà máy, khu sản xuất, nhà hàng đổ trực tiếp lượng lớn chất ô nhiễm vào nguồn tiếp nhận sông, hồ, đại dương Các chất ô nhiễm bao gồm cacbon vô cơ, hữu cơ, chất dinh dưỡng (N, P) kim loại nặng gây suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ động, thực vật sống thủy sinh nguy tiềm ẩn sức khỏe người thông qua chuỗi thức ăn Vì vây, xử lý nước thải nhiệm vụ quan trọng việc giảm thiểu ô nhiễm, trì hệ sinh thái đáp ứng nhu cầu dân số ngày tăng nước vấn đề môi trường tối thiểu Các phương pháp xử lý hóa lý sinh học dùng vi sinh vật (bùn hoạt tính và/hoặc xử lý yếm khí) sử dụng xử lý nước thải đạt chất lượng nước trước xả vào môi trường tái sử dụng Tuy nhiên, phương pháp tạo lượng bùn thải lớn yêu cầu phải có diện tích phát sinh để tập kết qui trình xử lý bùn phù hợp nhằm tránh gây ô nhiễm thứ cấp (phát sinh mùi hôi thối) Do vậy, phương pháp xử lý nước thải dùng vi tảo phát triển nhằm khắc phục hạn chế phương pháp xử lý nước thải truyền thống Các chất dinh dưỡng (các hợp chất bon, nitơ phốtpho) nước thải đô thị nguồn dinh dưỡng cần thiết cho phát triển vi tảo Vì vậy, loại bỏ chất nhiễm thơng qua q trình tiêu thụ chúng vi tảo tạo sinh khối Trong đó, sinh khối vi tảo thu có hàm lượng cao hợp chất cao phân tử chất béo, proteins, carbohydrate có giá trị tiềm để sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn ni, phân bón trồng, phụ gia thực phẩm, hoạt tính sinh học ngành công nghiệp mỹ phẩm dược phẩm Vi tảo lục đơn bào Chlorella sp loại vi tảo áp dụng rộng rãi giới để xử lý nước thải tốc độ tăng trưởng