Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ dinh dưỡng NP đến sinh trưởng của tảo và loại bỏ dinh dưỡng trong nước thái sinh hoạt bởi tảo CHLORELLA VULGARIS

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA MÔI TRƯỜNG  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ DINH DƯỠNG N:P ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG CỦA TẢO VÀ LOẠI BỎ DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BỞI TẢO CHLORELLA VULGARIS” Người thực : Đinh Phương Thảo Lớp : K57 MTA Khóa : 57 Chuyên ngành : Môi trường Giáo viên hướng dẫn : Ts Trịnh Quang Huy HÀ NỘI - 2016 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận tơi nhận giúp đỡ, bảo tận tình động viên thầy giáo, gia đình bạn bè Nhân dịp này, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Trịnh Quang Huy giảng viên môn Công nghệ Môi trường – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, người trực tiếp hướng dẫn tơi thực khóa luận tận tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cảm ơn thầy kiên nhẫn bên cạnh, cổ vũ động viên em suốt trình học tập làm việc Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Đỗ Thủy Nguyên, cô ThS.Nguyễn Thị Thu Hà, giảng viên môn Công nghệ môi trường, khoa Môi trường, thầy cô bảo giúp đỡ tơi nhiều q trình nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn tồn thể quý thầy, cô giáo môn Công nghệ Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ thời gian thực tập môn Tôi xin chân thành cám ơn giúp đỡ nhiệt tình anh Trần Minh Hồng, chị Đặng Thị Thanh Hương, anh Nguyễn Việt Vương, bạn Phạm Đình Nghĩa suốt trình thực nghiên cứu Cuối xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện cho thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Đinh Phương Thảo 22 MỤC LỤC 33 DANH MỤC BẢNG 44 DANH MỤC HÌNH 55 Phần ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Nước thải sinh hoạt không xử lý xử lý không triệt để thường chứa hàm lượng cao chất hữu cơ, Nitơ (N), Photpho (P), vi sinh vật vi khuẩn gây bệnh Nước thải đổ vào thủy vực nguyên nhân dẫn tới suy thoái chất lượng, ảnh hưởng đến sức khỏe người Sự dư thừa chất dinh dưỡng thúc đẩy phát triển loài tảo, rong, rêu thực vật thân mềm nước cuối ảnh hưởng đến cân sinh học nước Có nhiều cơng nghệ xử lý nước thải áp dụng Tuy nhiên, việc lựa chọn giải pháp xử lý phụ thuộc nhiều vào quy phạm pháp luật mức độ đầu tư Hiện nhà máy, xí nghiệp, giải pháp xử lý áp dụng cơng nghệ sinh học hiếu khí cơng nghệ bán hiếu khí kết hợp Nhưng khu vực dân cư hộ gia đinh giải pháp xử lý nước thải áp dụng sử dụng bể tự hoại Xử lý nước thải bể tự hoại cho giải pháp mang tính tạm thời, lý do, khả xử lý hệ thống không cao Ứng dụng tảo xử lý nước thải nghiên cứu chứng minh đem lại hiệu tích cực, tiết kiệm lượng thân thiện với mơi trường Nhiều lồi tảo nghiên cứu nhằm phục vụ cho mục đích như: Chlorella (Gonzale cs., 1997), Scenedesmus (Martinez cs., 1999), Spirulina (Olguin cs., 2003) Liang Wang cs (2009) nghiên cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nước thải sinh hoạt, tổng N tổng P giảm nghiên cứu 76% 65%, Liandong Zhu Cs (2013) nghiên cứu với nước thải chăn nuôi cho thấy giá trị 76% 65% 66 Trong trình xử lý, tảo sử dụng dinh dưỡng Nitơ, Phốtpho dạng ion vơ từ q trình phân hủy hợp chất hữu để sinh trưởng phát triển, từ loại bỏ dinh dưỡng khỏi nước thải Tuy nhu cầu dinh dưỡng tế bào tảo, tỷ lệ N:P yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ dinh dưỡng nước thải Tỷ lệ N:P không phù hợp khiến cho N P trở thành yếu tố cản trở hoạt động tảo Thực tế cho thấy, nguồn nước thải giàu dinh dưỡng thường có tỉ lệ N:P khơng đồng đều, nước thải sinh hoạt thường có tỷ lệ N:P từ 5:1 – 12:1 (R Crites, G Tchobanoglous, 1998), nước thải chăn nuôi 8:1 – 23:1 (Y S Choi, 2002), nước thải thủy sản, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm 3:1 – 11:1 (J Takeda, 1998), đòi hỏi trình xử lý cần điều chỉnh tỷ lệ dinh dưỡng cho phù hợp hợp nhu cầu tảo nhằm đảm bảo hiệu suất xử lý Xuất phát từ thực tiễn chúng tơi đề xuất tiến hành thực đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ dinh dưỡng N:P đến sinh trưởng loại bỏ dinh dưỡng nước thải sinh hoạt tảo Chlorella vulgaris” 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ dinh dưỡng N:P đến sinh trưởng phát triển tảo Chlorella vulgaris Xác định tỉ lệ dinh dưỡng N:P thích hợp cho việc loại bỏ dinh dưỡng (N, P) nước thải sinh hoạt 77 PHẦN TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 Đặc điểm sinh học tảo chlorella vulgarıs a Đặc điểm phân loại − − − − − − Giới: Plantae Ngành: Chlorophyta Lớp: Chlorophyceae Bộ: Chlorococale Họ: Chlorellaceae Giống: Chlorella (Bold anh Wynne, 1978) Chlorella chi tảo lục đơn bào, thuộc ngành Chlorophyta Chlorella có màu xanh nhờ sắc tố quang hợp Chlorophyll -a b lục lạp Thông qua quang hợp phát triển nhanh chóng cần lượng khí CO 2, nước, ánh sáng mặt trời lượng nhỏ khống chất để tái sản xuất b Hình thái cấu tạo Chlorella loại tảo đơn bào, khơng có tiêm mao, khơng có khả di động chủ động, tế bào có dạng hình cầu hình ovan Kích cỡ tế bào từ 25µm tùy lồi Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả chịu tác động học nhẹ Sự thay đổi điều kiện môi trường ánh sáng, nhiệt độ, thành phần chất hóa học mơi trường ảnh hưởng đến hình thái chất lượng tế bào tảo (Trần Văn Vĩ, 1995) 88 Hình 2.1: Hình thải tảo Chlorella vulgaris c Sinh sản Nhiều nghiên cứu ra, tảo Chlorella sinh sản nhanh, ba có khả tăng gấp đơi mật độ Tảo Chlorella khơng có sinh sản hữu tính Trong điều kiện dinh dưỡng tốt (trong huyền phù mật độ cao, tế bào không cạnh tranh ánh sáng, thức ăn) tế bào tảo cho từ 4-32 tự bào tử (thậm chí có trường hợp tạo 64 bào tử) (Trương Văn Lung, 2004) Sau kết thúc phân chia, tự bào tử tách khỏi thể mẹ cách xé màng tế bào mẹ, môi trường dinh dưỡng trở thành tế bào có khả hấp phụ chất dinh dưỡng mạnh, quan hợp sinh trưởng tăng Những tế bào hình thành hồn thành vịng phát triển sau 4-6 tiếng đến giai đoạn chín, có khả sinh sản, tồn chu trình lặp lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995) Do mặt lý thuyết tế bào ban đầu sau ngày đêm nuôi huyền phù lỗng cho 64 - 4096 tế bào Trong điều kiện thuận lợi cung cấp ánh sáng khí CO2 mơi trường ni có lượng nhiều muối khống tế bào Chlorella sống với số lượng 1-2 triệu tế bào/ml chất lỏng, bắt đầu sinh trưởng nhanh, sau vài ngày mật độ huyền phù đạt tới 50-500 triệu tế bào/ml huyền phù (có thể cao hơn) (Trương Văn Lung, 2004) 99 d Các giai đoạn phát triển quần thể tảo Tamiya (1963) nghiên cứu vòng đời tảo Chlorella chia vòng đời tảo làm giai đoạn: Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn cá bào tử tăng nhanh kích thước nhờ sản phẩm sinh tổng hợp Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị q trình phân chia Giai đoạn chín mùi: Tế bào nhân lên điều kiện có ánh sáng bóng tối Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, bào tử phóng thích ngồi Theo Trần Thị Thanh Hiền ctv (2003) với chế độ dinh dưỡng thích hợp điều kiện lý học thuận lợi, trình sinh trưởng tảo trải qua pha sau: Pha chậm: Do giảm trao đổi chất tảo giống, tế bào tảo gia tăng kích thước ko có phân chia Pha tăng trưởng: tế bào phân chia nhanh liên tục tuỳ thuộc vào kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ… Pha tăng trưởng chậm: Sự sinh trưởng tảo bị ức chế thay đổi yếu tố Pha qn bình: cạn kiệt dinh dưỡng, tảo bị suy tàn e Thành phần dinh dưỡng Tảo Chlorella vulgaris lồi Chlorella ni vào năm 1890 M N Beijercrinck Từ thí nghiệm ni nghiên cứu Chlorella thực liên tục Các nhà nghiên cứu xác minh Chlorella vulgaris có chứa nhiều chất dinh dưỡng Thành phần hóa học tảo Chlorella tùy thuộc theo tốc độ sử dụng môi trường dinh dưỡng trình phát triển Bảng 2.1 Tế bào Chlorella có chứa 23 amino acid có amio acid khơng thay lysine, methionine, tryptophan, arginic, leucine… Bảng 2.1: Thành phần hóa học tảo Chlorella (% trọng lượng khô) Thành phần Protein tổng số Hàm lượng 40-60% 10 10 pH yếu tố chi phối nồng độ tương đối dạng cacbon nước Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn nước nhỏ, làm hạn chế tăng trưởng tảo (Azov cs ,1982) Do pH cao làm tăng tính linh hoạt thành tế bào mẹ, ngăn ngừa phá vỡ ức chế việc hình thành tự bào tử, từ làm tăng thời gian hồn thành chu kỳ tế bào (Guckert cs , 1990) Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit thay đổi hấp thu chất dinh dưỡng (Gensemer cs , 1993) làm tăng khả phát tán kim loại độc  (Sunda cs , 1975) làm ảnh hưởng tới phát triển tảo Sục khí Theo Person (1980) nhận xét chế độ sục khí liên tục bán liên tục khơng sục khí nhận thấy suất bể sục khí cao 30% so với khơng sục khí Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trị quan trọng đặc biệt q trình quang hợp, cung cấp nguồn CO2 khí quyển, từ khói thải nhà máy, muối carbonate hòa tan NaHCO (Devgoswami, cs, 2011) Khi sục khí CO2 nồng độ q lớn có ảnh  hưởng ức chế đến trình sinh trưởng tảo Ảnh hưởng dinh dưỡng đến sinh trưởng phát triển tảo Cacbon chất dinh dưỡng quan trọng cần phải cung cấp trình sinh trưởng tảo Nó yếu tố cần thiết cho quang hợp sinh sản Tỷ lệ cố định cacbon thấp làm giảm tốc độ tăng trưởng tảo Cacbon sử dụng hình thức cacbonat bicacbonat CO2 nước có mặt hình thức tùy thuộc vào pH, nhiệt độ hàm lượng dinh dưỡng Ở giá trị pH cao, lượng cacbonat tăng bicacbonat giảm (Chen cs 1994) Ở giá trị pH trung bình (pH=8,2) , 90 % cacbon diện HCO3-, có 1% tồn CO2 phân tử phần lại bicacbonat (Eshaq cs , 2010) Khi hàm lượng CO cao làm giảm nồng độ tương đối protein sắc tố tế bào làm gia tăng hàm lượng carbohydrate Sự thay đổi thành phần tế bào làm giảm suất sinh khối tối đa (Gordillo cs., 1998) 13 13 Trong thủy vực tảo có khả tổng hợp chất vơ thành chất hữu cho thể thơng qua q trình quang hợp Trong thủy vực tự nhiên phát triển tảo phụ thuộc vào yếu tố nước, ánh sáng muối vô mà chủ yếu Photpho Nitơ Do thời điểm cần hạn chế ba nhân tố giới hạn sinh trưởng tảo Tuy nhiên nguồn giới hạn thay đổi việc xác định nguồn nhân tố giới hạn từ ba nguồn điều kiện thực tế ao nuôi tảo nguồn nước thải điều cần thiết cho việc quản lý phát triển tảo (Lucc cs 1990) Theo Round (1975) nhóm tảo phát triển chiếm ưu thế, điều có liên quan đến khả dự trữ Nitơ Photpho tế bào tảo Nitơ phốtpho hai chất dinh dưỡng quan trọng cho tăng trưởng trao đổi chất tế bào tảo Tuy nhiên nước thải sau xử lý q trình hiếu khí yếm khí chứa nhiều Nitrat (NO 3-), amon (NH4+), phosphate (PO43-), dẫn đến tượng phú dưỡng ao hồ gây nở hoa tảo độc hại (Sawayama et al., 1998) Prasad (1982) Geddes (1984) xem xét P N chìa khóa tượng phú dưỡng Vì vậy, cần nghiên cứu xử lý dinh dưỡng nước để ngăn chặn tượng phú dưỡng nguồn nước (Sawayama et al., 2000) Theo Smith (1982) Downing (1997) N P hai chất dinh dưỡng cho có ảnh hưởng đến việc hạn chế sinh trưởng, phát triển thực vật phù du (Klausmeier CA cs 2011) Nitơ yếu tố dinh dưỡng góp phần quan trọng việc sản xuất sinh khối tảo tham gia vào thành phần tế bào axit amin, protein, amino axit… chiếm 7% đến 20% trọng lượng khô tế bào (Hu Q , 2004) Hầu hết lồi vi tảo có khả sử dụng nhiều nguồn nitơ gồm có nitơ hữu (ure, glutamin, glyxin,…) nitơ vô (amoni, nitrat nitrit) Các dạng nitơ vô nước tảo hấp thụ đồng hóa thành hợp chất sinh hóa thể tế bào sử dụng để đáp ứng thay đổi nhu cầu sinh lý Tác động chủ yếu tình trạng thiếu nitơ môi 14 14 trường nuôi tảo việc giảm hàm lượng protein (Morris cs 1997) tăng khả tích tụ chất béo (Thompson cs , 1996) Phốt phần dinh dưỡng đóng vai trị quan trọng q trình trao đổi chất tế bào chuyển giao lượng, sinh tổng hợp acid nucleic, DNA cần thiết cho tăng trưởng phát triển bình thường tảo Phốtpho thường chiếm 1% trọng lượng khô tảo (Hu Q , 2004) Một số nghiên cứu rằng, môi trường tự nhiên, phốtpho yếu tố giới hạn phát triển tảo (Borchardt cs , 1968) Hàm lượng phốtpho thấp mơi trường dẫn đến tích tụ chất béo Tổng litpit tảo Scendesmus sp tăng từ 23% lên 53%, đồng thời với việc giảm nồng độ phốtpho nước từ 0,1 – 2,0 mg/L ( Li cs , 2010) 2.2 Tổng quan ứng dụng tảo xử lý nước thải sinh hoạt 2.2.1 Tính chất nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt nước thải phát sinh từ hoạt động sinh hoạt cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui - chơi giải trí, cơng sở… Thành phần nước thải sinh hoạt gồm loại: Nước nhiễm bẩn chất tiết người từ hệ thống vệ sinh Nước thải nhiễm bẩn chất thải sinh hoạt, hoạt động sinh hoạt giặt giũ, nấu nướng tắm rửa Hợp chất Nito có nước thải chủ yếu hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin,… thành phần khác chất thải rắn lỏng Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 516 g Nitơ dạng protein thải khoảng 30% số Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn phân khoảng lần (A Mulder 2003) Các hợp chất chứa Nitơ, đặc biệt protein, urin nước tiểu bị thuỷ phân nhanh tạo thành amoni/amoniac Trong bể phốt xảy trình phân huỷ yếm khí chất thải, q trình phân huỷ làm giảm đáng kể lượng chất hữu dạng carbon tác dụng giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật Hàm lượng hợp chất nitơ nước 15 15 thải từ bể phốt cao so với nguồn thải chưa qua phân huỷ yếm khí Trong nước thải sinh hoạt, nitrat nitrit có hàm lượng thấp lượng oxy hồ tan mật độ vi sinh tự dưỡng thấp Thành phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng nước thải sinh hoạt (R Crites, G Tchobanoglous 1998 WEF 1998) Nguồn phát thải Photpho quan trọng nước thải sinh hoạt phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp Lượng Photpho có nguồn gốc từ phân ước tính 0,2 - 1,0 kg P/người/năm trung bình 0,6 kg Lượng photpho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp ước tính 0,3 kg/người/năm Sau hạn chế cấm sử dụng photpho thành phần chất tẩy rửa, lượng photpho giảm xuống, khoảng 0,1 kg/người/năm (Lê Văn Cát, 2007) Thức ăn thừa: sữa, thịt, cá dụng cụ nấu ăn, đựng loại vào nước thải lượng photpho đáng kể Nồng độ hợp chất nitơ, photpho nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng nguồn nước thải: mức độ sử dụng nước cư dân, mức độ tập trung dịch vụ cơng cộng, thời tiết, khí hậu vùng, tập qn ăn uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ngày tháng mức sống tiện nghi cộng đồng Lượng chất thải thường tính theo đầu người (khối lượng khô) nồng độ sau pha loãng với mức nước sử dụng đầu người (ở nước cơng nghiệp khoảng 190 lít/người/ngày) cống rãnh thải (450 lít/người/ngày) Nồng độ pha loãng gọi nồng độ điểm xả cống thải (Lê Văn Cát, 2007) 2.2.2 Ứng dụng tảo xử lý nước thải Tảo đơn bào sử dụng lượng ánh sáng để tổng hợp nên sinh khối tế bào từ CO2 nước việc kết hợp Cacbon (C) với Nitơ (N) Phốtpho (P) tỉ lệ tương đối ổn định (Klausmeier CA cs., 2004) Cơng thức cân hóa học cho yếu tố phổ biến tế bào tảo trung bình 16 16 C106H18O45N16P Sự tăng trưởng tối ưu tảo đòi hỏi cân yếu tố với tỷ lệ môi trường nuôi cấy (Klausmeier CA cs., 2004) Để tảo tăng trưởng tối ưu, môi trường nuôi cấy phải bổ sung đầy đủ dinh dưỡng Chúng bao gồm số chất dinh dưỡng Cacbon, Nitơ, Phốtpho, Lưu huỳnh Kali; số nguyên tố vi lượng Co, Mo, Mn, vitamin Tỷ lệ N:P yếu tố quan trọng việc loại bỏ N P hệ thống xử lý nước thải khơng xác định suất tiềm mà cịn đóng vai trị quan trọng việc xác định lồi chiếm ưu môi trường nuôi (Richmond A., 2004) Các tỷ lệ N:P không giống loại nước thải khác 17 17 Bảng 2.2: Các nghiên cứu vể sử dụng tảo xử lý nước thải giới Việt Nam Tác giả Hee Jeong Choi & Loại tảo Chlorella vulgaris Seung Mok Lee (2014) Richard Geider, Julie La Chlorella Roche (2011) Rhee GY, Gotham IJ Scendesmus (1980) Võ Thị Kiều Thanh Chlorella sp Nước thải Tỉ lệ dinh Kết dưỡng N:P Nước thải sinh hoạt 1:1-11:1 Sinh trưởng đạt cực đại, 2,97mg/l 20:1-30:1 Sinh khối giảm dần từ 0,4-0,78mg/l không đổi 11:1 – 30:1 Hàm lượng Nito loại bỏ cao khoảng 82% Nước thải sinh hoạt 16:1 5:1 1:1 -20:1 16:1 16:1 khoảng từ 75-78% Nito loại bỏ cao 96% Nito yếu tố giới hạn sinh trưởng Photpho yếu tố giới hạn sinh trưởng TP giảm 80% khoảng 60% Tảo Chlorella sinh trưởng cực đại Nito yếu tố giới hạn Photpho yếu tố giới hạn 5:1 – 80:1 Scendesmus sinh trưởng tốt Nước thải chăn nuôi 3:1 cs (2012) Tốc độ sinh trưởng đạt 0,107-0,125/ngày Khả loại bỏ dinh dưỡng Nito 87,5% Liandong Zhu.Cs Chlorella sp Nước thải chăn nuôi 5:1 18 18 TP giảm 46% TN giảm 76% (2013) TP giảm 65% Guilford Hecky Ao hồ nước >50:1 50:1 Photpho nhân tố giới hạn, với tỷ lệ N:P