ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI TẢO TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ TẠO NHIÊN LIỆU SINH HỌC

hiện nay, người ta đã ứng dụng cả vi tảo để xử lý nước thải nhờ vào các phát hiện đột phá trong việc xử lý các chất ô nhiễm và tạo nên rất nhiều ứng dụng sau khi thu hoạch được một lượng lớn vi tảo trong hệ thống xử lý nước thải.

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC QUẢN LÝ

TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI TẢO TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ TẠO NHIÊN LIỆU SINH HỌC

Môn: VI SINH MÔI TRƯỜNG

Nhóm 3 GVHD: Th.S Hồ Bích Liên

Bình Dương, tháng 03 năm 2021

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC QUẢN LÝ

TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI TẢO TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ TẠO NHIÊN LIỆU SINH HỌC

Nhóm 3 Nguyễn Lê Trung Dũng Đặng Tuấn Hải Phan Dương Linh

Lê Văn Sơn Đặng Thanh Trúc

Bình Dương, tháng 03 năm 2021

Mục Lục

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

Chương I Mở đầu 6

1.1 Lý do 6

1.2 Mục tiêu 6

1.3 Ý nghĩa 6

Chương II Nội dung 7

2.1 Tổng quan về vi tảo và sử dụng vi tảo để xử lý môi trường và tạo nhiên liệu sinh học 7

2.1.1 Tổng quan 7

2.1.2 Đặc điểm 8

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm 10

2.2 Bản chất của vấn đề nghiên cứu sử dụng vi tảo để xử lý môi trường và tạo nhiên liệu sinh học 10

2.3 Ứng dụng của vi tảo để xử lý môi trường và tạo nhiên liệu sinh học 11 2.3.1 Ứng dụng vi tảo xử lý nước thải và chiết xuất nhiên liệu sinh học 11

2.3.2 Hiệu quả của vi tảo trong việc loại bỏ các chất dinh dưỡng gây ô nhiễm trong nước thải nuôi trồng thủy hải sản ở huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh,Việt Nam 12

2.3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tăng trưởng sinh khối vi tảo và hiệu suất xử lý nước thải 13

2.3.4 Nghiên cứu nuôi trồng vi tảo Chlorella vulgaris làm nguyên liệu sản xuất Biodiesel 13

2.3.5 Nghiên cứu khả năng làm sạch nước thải công nghiệp của hệ thông vi tảo vi khuẩn 13

2.3.6 Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi tảo 14

2.3.7 Sự phát triển và khả năng hấp thu kim loại của vi tảo trong phơi nhiễm với crôm 14

2.3.8 Nghiên cứu xử lý chất dinh dưỡng dưỡng trong nước thải trại nuôi lợn bằng nuôi trồng vi tảo trong hệ bể hở raceway 14

2.3.9 Nghiên cứu phát triển sinh khối vi tảo spirulina sp trong môi

trường nước mưa và nước biển kết hợp xử lý CO2 15 2.3.10 Dùng tảo để xử lý ô nhiễm môi trường nước 15

2.3.11 Ứng dụng vi tảo Chlorella vulgaris xử lý chất hữu cơ trong nước

thải 16 2.3.12 Công nghệ xử lý nước thải bằng tảo 16 2.3.13 Nhiên liệu sinh học từ vi tảo biển dị dưỡng của việt nam: biodiesel

và tận thu các sản phẩm phụ (axít béo không bão hòa đa nối đôi - pufas, glycerol và squalene) trong quá trình sản xuất biodiesel 16 Chương III Kết luận 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chương I Mở đầu

1.1 Lý do

- Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công nghệ xử lý môi trường khác nhau như

công nghệ vật lý lưới, song chắn rác,…, công nghệ hoá học như tuyển nổi, keo

tụ, hấp phụ hoá lý,…, công nghệ vi sinh xử lý môi trường bằng các bể xử lý yếm khí, hiếu khí, kỵ khí Trong đó công nghệ vi sinh thường được sử dụng để xử lý giai đoạn vi xử lý nghĩa là giai đoạn xử lý các chất ô nhiễm ở cấp độ cao phân tử hay phân tử, từ những năm 80 của thế kỷ trước, con người đã biết ứng dụng vi sinh vào xử lý nước sinh hoạt Càng ngày công nghệ càng tiên tiến hơn, song song

đó công nghệ xử lý nước môi trường cũng càng ngày càng được hoàn thiện để đáp ứng được nhu cầu của thời đại mới Chúng ta có nâng cấp của các bể sinh học xử lý nước, từ bể aerotank có thêm nhiều dạng bể hiếu khí khác nhau để phù hợp theo từng nhu cầu xử lý, hoặc từ bể ABR chúng ta có sự nâng cấp là bể ASBR

- Cùng với đó công nghệ vi sinh xử lý nước cũng tiến bộ theo, càng ngày càng nhiều chủng vi sinh được áp dụng để xử lý nước để phù hợp với từng loại nước thải và từng thông số chỉ tiêu xử lý Đơn cử có thể nhận thấy tuỳ vào thông số xử

lý mà ta chọn loại vi sinh có enzym đặc thù để xử lý thông số đó từ đó đa dạng được khả năng xử lý nước thải, nước cấp của từng vùng, từng khu vực Và với công nghệ hiện nay chúng ta đã có thể xử lý nhiều loại thông số ô nhiễm khác nhau bằng cấp cho một loại men vi sinh là sự kết hợp của nhiều chủng vi sinh khác nhau điều đó tạo nên tính đa dạng trong xử lý môi trường và thúc đẩy được ngành vi sinh môi trường lên một tầm cao mới

- Trong những năm gần đây, nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự phát triển của ngành vi sinh môi trường, các nhà khoa học trên thế giới đã ứng dụng một loại vi sinh vật mới vào hệ thống xử lý nước thải Trước đây, đa số các

bể xử lý sinh học đều sử dụng vi khuẩn như là loại vi sinh vật duy nhất có khả năng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ Tuy nhiên hiện nay, người ta đã ứng dụng

cả vi tảo để xử lý nước thải nhờ vào các phát hiện đột phá trong việc xử lý các chất ô nhiễm và tạo nên rất nhiều ứng dụng sau khi thu hoạch được một lượng lớn vi tảo trong hệ thống xử lý nước thải

1.2 Mục tiêu

- Tập hợp nghiên cứu về vi tảo xử lý ô nhiễm môi trường và tạo nhiên liệu sinh học

1.3 Ý nghĩa

- Tảo nói chung và vi tảo nói riêng có thể là giải pháp thay thế hoặc chí ít là giải

pháp bổ trợ cho việc xử lý môi trường của vi khuẩn Vì không như vi khuẩn vi tảo có thể có rất nhiều ứng dụng khác nhau sau khi đã xử lý xong nước trong hệ thống xử lý nước thải

Chương II Nội dung

2.1 Tổng quan về vi tảo và sử dụng vi tảo để xử lý môi trường và tạo nhiên liệu sinh học

2.1.1 Tổng quan

- Vi tảo là các loài sinh vật nhân sơ hoặc nhân thực có khả năng quang hợp và tồn

tại ở hầu hết các hệ sinh thái trên trái đất Được phát hiện lần đầu tiên tại Trung Quốc, hiện nay ước tính có hơn 50.000 loài vi tảo đã được xác định trên sinh giới, trong đó chỉ có 60% các loài được nghiên cứu và phân tích Đáng chú ý, hầu hết các loài vi tảo sinh trưởng chủ yếu theo cơ chế quang tự dưỡng và/hoặc dị dưỡng

- Vi tảo chưa được phân loại một cách rõ ràng do chúng thuộc nhiều phân lớp thực vật và vi sinh vật khác nhau Hiện tại việc phân loại có thể dựa trên sự khác nhau về sắc tố, sản phẩm lưu trữ, màng quang hợp hoặc một số đặc điểm hình thái khác Một cách tương đối, vi tảo có thể được xếp vào 11 ngành, bao gồm

Cyanophyta, Prochlorophyta (thuộc nhóm nhân sơ), Glaucophyta, Rhodophyta, Heterokontophyta,Haptophyta,Cryptophyta,Dinophyta,Euglenophyta,Chlorarac hniophyta, Chlorophyta (thuộc nhóm nhân thực) Trong đó được quan tâm nhiều

là các ngành Glaucophyta (một ngành hiếm và thường tồn tại ở môi trường nước ngọt), Rhodophyta (hay còn gọi là tảo đỏ), Heterokontophyta (ứng dụng nhiều trong nuôi trồng thủy sản) và Chlorophyta

- Đến nay, nhiều loài vi tảo đã được phân lập thành công và sử dụng rộng rãi

trong đời sống Phải kể đến đầu tiên là tảo Spirulina - một chi thuộc ngành Glaucophyta Tảo Spirulina có màu xanh lục với sắc tố chính là phycocyanin Vi tảo thuộc chi Spirulina có thành phần dinh dưỡng rất cao (protein ~70% trọng

lượng khô, carotenoid ~4.000 mg/kg, acid béo không bão hòa như omega-3, omega-6, γ-linolenic acid, giàu vitamin và các khoáng chất), vì vậy Spirulina được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, nuôi

trồng thủy sản, thú y và chăn nuôi Tiếp theo, Chlorella là một chi thuộc ngành Chlorophyta (tảo lục) đơn bào Các loài thuộc chi này có tiềm năng lớn trong sản

xuất nhiên liệu sinh học, mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm chức năng và xử lý môi trường Hai đại diện khác thuộc ngành tảo lục cũng nhận được nhiều sự quan

tâm là Dunaliella và Haematococcus Trong đó, chi Haematococcus bao gồm 8

loài khác nhau, được biết đến nhiều nhất là vi tảo đơn bào nước ngọt

(Haematococcus pluvialis) với khả năng tích lũy chất chống oxy hóa astaxanthin Trong chi Dunaliella, vi tảo Dunaliella salina là nguồn cung cấp β-carotene tự

nhiên tốt nhất hiện nay và được nuôi trồng quy mô công nghiệp trên khắp thế giới

- Nhiên liệu sinh học (biofuels) là thuật ngữ được sử dụng để chỉ nguồn năng lượng được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mỳ, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân ), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải )

- Với tình hình nguồn cung cấp các loại nhiên liệu hoá thạch ngày càng hạn chế, tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng đang trở thành vấn đề đáng lo ngại với nhiều quốc gia, an toàn năng lượng trở nên cấp bách đối với tất cả các nước trên thế giới Chính phủ nhiều quốc gia đã và đang nỗ lực trong việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, ưu tiên hàng đầu sẽ là các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường, một trong số đó là nhiên liệu sinh học

- Dựa vào nguồn nguyên liệu sinh khối, nhiên liệu sinh học được chia thành các thế hệ khác nhau, gồm thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba Thế hệ thứ nhất - nguồn carbon cho nhiên liệu sinh học là đường, chất béo hoặc tinh bột được chiết xuất trực tiếp từ thực vật là những cây trồng cạnh tranh hoặc có khả năng cạnh tranh với cây lương thực Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có nguồn gốc từ cellulose, hemicellulose, lignin hoặc pectin, ví dụ, phế thải hoặc phế phẩm trong nông - lâm nghiệp, hoặc các nguyên liệu thực vật được trồng không nhằm làm lương thực (rừng trồng ngắn ngày, một số loại cỏ…) Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có nguồn gốc từ sinh vật thủy sinh tự nhiên (các loại tảo) hình thành nhờ ánh sáng, carbon dioxide và các chất dinh dưỡng được bổ sung vào môi trường sinh trưởng

2.1.2 Đặc điểm

- Hiện nay, vi tảo đã được quan tâm nhiều trong nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong đời sống Với khả năng thích ứng cao, nhu cầu sử dụng nước ít hơn cây trồng cạn, tăng sinh trưởng nhanh, năng suất sinh khối cao hơn các loài thực vật khác và thân thiện với môi trường, vi tảo có tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm thực phẩm, dược phẩm, nhiên liệu sinh học Các nghiên cứu đã chỉ

ra rằng, vi tảo có hàm lượng dinh dưỡng cao và tốt hơn so với thực vật, với protein chiếm 12-35%, lipid chiếm 7-23% và carbonhydrate chiếm 4-23% Một số nhóm

vi tảo như Chlorella, Arthrospira, Dunaliella chứa rất nhiều polysaccharides

quan trọng, như alginate, heteroglycan, galactan được sulfat hóa và β-glucan Tảo cũng được coi là nguồn cung cấp vitamin và các chất chống oxy hóa quan trọng

Điển hình như Tetraselmis suecica, Isochrysis galbana chứa rất nhiều nhóm

vitamin tan trong lipid (vitamin A và E) và vitamin nhóm B (B1, B2, B-6, B12) Chính vì vậy, tảo được xem như một nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng cho người

và có thể làm nguyên liệu bổ sung trong chế biến thức ăn chăn nuôi hoặc chế phẩm vi sinh cho cây trồng Một số loài vi tảo được xem là nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học do chúng tăng trưởng nhanh, ít bị phụ thuộc vào mùa vụ, khí hậu, trong khi tích lũy một lượng dầu rất lớn trong tế bào Cụ thể,

dầu tách từ sinh khối tảo thường đạt 20-50% sinh khối khô (như ở Spirulina có thể đạt 41%, Scenedesms đạt 24-45%), đặc biệt loài Botryococcus braunii có thể

tạo ra lượng dầu đạt 80% sinh khối khô Một đặc điểm thú vị là thành tế bào của một số loài tảo xanh chứa các heteropolysaccharide cho phép liên kết với các kim

loại nặng, từ đó có thể loại bỏ chúng khỏi nguồn nước (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris có khả năng loại bỏ đồng, mangan, kẽm từ nguồn

nước ô nhiễm) Ngoài ra, vi tảo cũng có thể được sử dụng để hấp thụ các tồn dư phosphorus trong môi trường Vì vậy, xử lý nước thải, làm giảm thiểu hàm lượng

kim loại nặng hay các chất độc trong nước cũng được xem là một vai trò rất quan trọng của vi tảo Bên cạnh đó, nuôi trồng tảo còn được chứng minh có thể làm giảm thiểu khí nhà kính trong khí quyển, giảm lượng CO2 sinh ra từ canh tác nông nghiệp, giúp ổn định khí hậu toàn cầu Ngoài ra, mới đây các nhà khoa học

đã tìm ra một số hoạt chất có lợi giúp ngăn chặn sự lão hóa da, giảm thiểu hoạt động của enzyme phân giải cấu trúc collagen từ vi tảo biển, gợi mở một hướng mới cho sản xuất tảo biển hiện nay

- Cho đến nay, nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các loài vi tảo phục vụ các mục tiêu cụ thể như làm thực phẩm, nhiên liệu sinh học và bảo vệ môi trường đã được

thực hiện thành công như: Spirulina platensis và Chlorella vulgaris được nuôi

cấy phổ biến nhằm khai thác hàng loạt các hợp chất quan trọng như carotenoid, astaxanthin, phycocyanine, β-carotene, chất chống ôxy hóa, acid béo làm thực

phẩm, mỹ phẩm và nhiên liệu sinh học; Prototheca spp và Chlorella spp được

lên men trong các bình bioreactor kín (lên men không quang hợp) để sản xuất dầu

ăn, Omega-3 PUFA, dầu cho mỹ phẩm và sinh khối tảo Đặc biệt, các nhà khoa học đã thành công trong đồng nuôi cấy vi tảo nhằm lợi dụng mối quan hệ cộng

sinh như lượng lipid (%) khi đồng nuôi cấy Chlorella sp với Monoraphidium sp

đạt 47,8% sinh khối khô, cao hơn so với khi chỉ nuôi Chlorella sp (32%) Một kiểu đồng nuôi cấy khác rất phổ biến là phối hợp vi tảo với các loài vi khuẩn để

hình thành các mảng keo tụ Một số loài vi khuẩn (Solibacillus silvestris, Bacillus sp.) và nấm (Aspergillus fumigatus) đã được đồng nuôi cấy để keo tụ vi tảo, từ đó

dễ dàng thu sinh khối

- Nhiên liệu sinh học đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học như là nguồn năng lượng tái tạo, không độc, phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường và

có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch thông thường đang dần cạn kiệt Trong

số các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học, vi tảo được xem

là nguồn nguyên liệu có nhiều lợi thế để sản xuất biodiesel do tốc độ sinh trưởng nhanh, hàm lượng dầu cao, việc nuôi trồng không bị ảnh hưởng bởi địa điểm nuôi trồng, mùa vụ, khí hậu, và dễ dàng mở rộng quy mô Nhiên liệu sinh học sản xuất

từ dầu tảo có thể cao gấp từ 15-300 lần so với việc sản xuất nhiên liệu sinh học

từ các loại cây trồng truyền thống tính trên cùng đơn vị diện tích

- Nhiên liệu sinh học tiên tiến hay nhiên liệu sinh học bền vững không nhất thiết chỉ gồm các nhiên liệu có các tính chất tiên tiến (không chứa oxy) mà các khái niệm này còn được dùng để chỉ các loại nhiên liệu sinh học sau: thuộc thế hệ thứ hai; phát thải khí CO2 thấp; giảm hiệu ứng nhà kính và không ảnh hưởng đến sản xuất lương thực Như vậy, các tiêu chí để một loại nhiên liệu sinh học được coi

là tiên tiến gồm: loại nguyên liệu sinh khối, công nghệ chuyển hóa được sử dụng

và tính chất của các phân tử nhiên liệu được hình thành Tùy vào mục đích sử dụng, các công ty/tổ chức khác nhau có thể dựa vào tất cả hoặc một trong các tiêu chí trên để xét một nhiên liệu sinh học có phải là tiên tiến hay không Các cách phân loại khác nhau do sự đa dạng và các quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học đang được triển khai để đạt được tiêu chuẩn về sự bền vững và chất lượng nhiên

liệu, cũng như để đáp ứng nhu cầu sử dụng cho vận tải đường bộ, hàng không và hàng hải Trên thực tế, nhiên liệu sinh học có thể được tiếp thị với các tên gọi là nhiên liệu tốt, nhiên liệu tái tạo, nhiên liệu bền vững hay nhiên liệu thế hệ kế tiếp

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm

- Ưu điểm của sử dụng vi tảo để xử lý môi trường và tạo nhiên liệu sinh học: Vi tảo có hiệu suất xử lý các thành phần ô nhiễm trong nước ngang với việc sử dụng

vi khuẩn và điều đó đã được chứng minh qua rất nhiều công trình khoa học trong nước và ngoài nước Không như vi khuẩn, vi tảo sau khi xử lý nước thải sẽ tạo ra rất nhiều giá trị, vi khuẩn sau khi đã xử lý xong nước sẽ tạo ra bùn, từ bùn đó khả năng tái sử dụng là rất ít, chỉ có thể làm phân bón hoặc làm gạch lát là có giá trị cao hơn cả, còn đối với vi tảo, có thể sử dụng làm thực phẩm, dược phẩm, dược phẩm dinh dưỡng, phẩm màu, DHA, xử lý chất thải, phân bón, sản xuất khí hydro sinh học

- Nhược điểm của sử dụng vi tảo để xử lý môi trường và tạo nhiên liệu sinh học: nhìn chung vi tảo có thể thay thế các loại xử lý môi trường bằng vi sinh truyền thống tuy nhiên hiện nay các công trình công nghệ trên thế giới có rất ít hoặc quy

mô nhỏ về vấn đề sử dụng vi tảo để xử lý nước thải, vi tảo là một nguồn nguyên liệu rất tốt để áp dụng vào xử lý nước thải tuy nhiên vì chưa có một cách khả quan nào để có thể hoàn toàn thay thế được vi khuẩn trong công trình xử lý nên vi tảo chưa được sử dụng rộng rãi và vì các công nghệ sử dụng vi sinh vật đã tỏ ra hiệu quả trên toàn thế giới để người ta có thể thay thế bằng một biện pháp mới tiềm ẩn nhiều rủi ro hơn

2.2 Bản chất của vấn đề nghiên cứu sử dụng vi tảo để xử lý môi trường và

- Nghiên cứu vi tảo để vừa có thể xử lý môi trường vừa có thể sử dụng tảo sau xử

lý để tạo nhiên liệu sinh học

- Tăng trưởng sinh khối của tảo rất cao, kèm theo đó là một hệ thống xử lý và thu hoạch tảo phải đồng bộ và có độ chính xác cao

- Hệ thống xử lý bằng vi tảo phải được đặt gần nguồn thải phát sinh hoặc gần biển

để có thể tận dụng tối đa lượng tài nguyên cần thiết cho sự sinh trưởng của tảo

- Công nghệ hiện nay chưa thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất tảo trên quy mô lớn mà chỉ nằm ở quy mô ở phòng thí nghiệm hoặc chỉ là quy mô thí điểm công nghệ

- Giá cả nhiên liệu sinh học từ vi tảo còn quá cao so với giá nhiên liệu sinh học truyền thống