Tài liệu Luận văn Sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas để nuôi tảo chlorella.pdf

Tài liệu Luận văn Sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas để nuôi tảo chlorella.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA THỦY SẢN

LÊ HỮU NHÂN

SỬ DỤNG NƯỚC THẢI TỪ HẦM Ủ BIOGAS

ĐỂ NUÔI TẢO CHLORELLA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA THỦY SẢN

LÊ HỮU NHÂN

SỬ DỤNG NƯỚC THẢI TỪ HẦM Ủ BIOGAS

ĐỂ NUÔI TẢO CHLORELLA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ths TRẦN SƯƠNG NGỌC

2009

TÓM TẮT

Khả năng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas (nguồn nước thải có từ hầm ủ biogas 4.5 m3 với 75% phân heo và 25% bèo lục bình) để nuôi tảo Chlorella

được xác định qua 2 thí nghiệm Trong thí nghiệm 1 xác định hàm lượng nước

thải từ hầm ủ biogas thích hợp để nuôi tảo Chlorella với các nghiệm thức sử

dụng nước thải có hàm lượng đạm lần lược là: 2ppm N/ngày, thay đổi (5 ngày đầu: 1 ppm N/ngày; Từ ngày thứ 6 đến ngày thứ 10: 3ppm N/ngày; Từ ngày thứ 11 đến ngày thứ 16: 2ppm N/ngày), 1ppm N/ngày, Wanle (đối chứng) Thời gian thí nghiệm là 7 ngày, mật độ tảo đạt cao nhất là 7,85 ± 0,28 triệu tb/ml (ngày thứ 5 của thí nghiệm) ở nghiệm thức sử dụng nước thải từ hầm ủ

biogas là 2ppm N/ngày khác biệt rất có ý nghĩa (P<0,01) so với các nghiệm

thức khác Trong thí nghiệm 2 sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas là 2ppm N/ngày với 4 nghiệm thức có tỷ lệ thu hoạch khác nhau: 10%, 30%, 50% và không thu hoạch Thí nghiệm tiến hành trong 10 ngày, khi mật độ tảo đạt trung bình khoảng 6,39 ± 0,47 triệu tb/ml (ngày thứ 4 của thí nghiệm) thì tiến hành thu hoạch Kết quả cho thấy tỷ lệ thu hoạch 30% là phù hợp vì mật độ

tảo cao, ổn định Có thể ứng dụng nuôi tảo Chlorella trong ao đất bằng nước

thải từ hầm ủ biogas (2ppm N/ngày) với tỷ lệ thu hoạch 30% để nuôi luân

trùng, Moina

LỜI CẢM TẠ

Trong khoảng thời gian thực hiện đề tài tôi đã nhận được nhiều sự động viên

và giúp đỡ từ gia đình, thầy cô, bạn bè để hoàn thành tốt đề tài dù gặp nhiều khó khăn

Cảm ơn cha, mẹ và gia đình đã ủng hộ về vật chất và tinh thần

Cảm ơn cô Trần Sương Ngọc đã tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm giúp đỡ tạo mọi điều kiện để đề tài diễn ra thuận lợi

Cảm ơn cô Huỳnh Thị Ngọc Hiền, các thầy, cô, anh, chị trong bộ môn Thuỷ sinh học ứng dụng đã tận tình chỉ bảo trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i

Tóm lược ii

Lời cảm tạ iii

Mục lục iv

Danh sách HÌNH v

Danh sách BẢNG vi

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2

2.1 Tảo Chlorella 2

2.1.1 Đặc điểm phân loại 2

2.1.2 Hình thái, cấu tạo 2

2.1.3 Sinh sản 2

2.1.4 Giai đoạn phát triển của quần thể tảo 3

2.1.5 Thành phần dinh dưỡng 4

2.1.6 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo 4

2.1.6.1.Ánh sáng 4

2.1.6.2.pH 5

2.1.6.3.Nhiệt độ 5

2.1.6.4.Sục khí 5

2.1.6.5.Dinh dưỡng 5

2.1.7 Một số hình thức nuôi tảo 7

2.1.8 Khả năng sử dụng tảo Chlorella để xử lý chất thải 7

2.2 Biogas 8

2.2.1 Một số vấn đề về biogas 8

2.2.2 Biogas và lục bình 10

2.3 Tận dụng chất thải từ hầm ủ biogas 10

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

3.1 Thời gian và địa điểm 13

3.2 Vật liệu nghiên cứu 13

3.3 Bố trí thí nghiệm 14

3.3.1 Thí nghiệm 1: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella 14

3.3.2 Thí nghiệm 2: tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo

Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas 15

3.3.3 Thu thập, tính toán và xử lý số liệu 15

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 17

4.1 Thí nghiệm 1: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella 17

4.1.1 Các yếu tố môi trường 17

4.1.1.1 Nhiệt độ 17

4.1.1.2 Ánh sáng 17

4.1.1.3 pH 18

4.1.1.4 TAN 19

4.1.1.5 NO3- 21

4.1.1.6 TN 22

4.1.1.7 TP 23

4.1.2 Sự phát triển của tảo 24

4.2 Thí nghiệm 2: tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas 26

4.2.1 Các yếu tố môi trường 26

4.2.1.1 Nhiệt độ 26

4.2.1.2 pH 26

4.2.1.3 TAN 27

4.2.1.4 NO3- 28

4.2.1.5 TN 29

4.2.1.6 TP 30

4.2.2 Sự phát triển của tảo 31

4.2.3 Mối tương quan giữa hàm lượng dinh dưỡng và mật độ tảo 33

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 34

5.1 Kết luận 34

5.2 Đề xuất 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 PHỤ LỤC

DANH SÁCH HÌNH

HÌNH 2.1 Tảo Chlorella 2

HÌNH 2.2 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo 3

HÌNH 2.3 (A) Hầm sinh khí kiểu vòm cố định; (B) Hầm sinh khí có nắp đậy di động; (C) Hầm sinh khí dạng túi 9

HÌNH 2.4 Quá trình lên men kỵ khí 9

HÌNH 2.5 Hệ thống không có chất thải 11

HÌNH 4.1 Nhiệt độ trong bể tảo 17

HÌNH 4.2 Cường độ ánh sáng trong bể tảo 18

HÌNH 4.3 Biến động pH trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 19

HÌNH 4.4 Biến động hàm lượng TAN ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 20

HÌNH 4.5 Biến động hàm lượng NO3- ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 21

HÌNH 4.6 Biến động hàm lượng đạm tổng số trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 22

HÌNH 4.7 Hàm lượng lân trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 23

HÌNH 4.8 Mật độ tảo (thí nghiệm 1) 24

HÌNH 4.9 Biến động pH trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 27

HÌNH 4.10 Biến động hàm lượng TAN ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) 28

HÌNH 4.11 Biến động hàm lượng NO3- ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) 29

HÌNH 4.12 Biến động hàm lượng đạm tổng số ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) 30

HÌNH 4.13 Mật độ tảo (thí nghiệm 2) 31

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Thành phần hoá chất môi trường Walne 13

Bảng 4.1 pH các nghiệm thức trong thời gian thí nghiệm (thí nghiệm 1) 19

Bảng 4.2 Hàm lượng TAN trung bình ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1) 20

Bảng 4.3 Mật độ tảo (thi nghiệm 1) 25

Bảng 4.4 Hàm lượng TAN trung bình ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) 28

Bảng 4.5 Hàm lượng lân trung bình trong các nghiệm thức (thí nghiệm 2) 30

Bảng 4.6 Mật độ tảo (thí nghiệm 2) 32

Bảng 4.7 Hàm lượng đạm lân trung bình trong các nghiệm thức (thí nghiệm 2) 33

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Giới thiệu

Ngành Nuôi trồng thủy sản là ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam, là ngành mang về nhiều ngoại tệ cho Đất nước với các thế mạnh về sản phẩm đông lạnh của tôm sú, cá tra, cá ba sa… Sự lớn mạnh của nghề nuôi đã kéo theo nghề sản xuất giống phát triển

Nghề sản xuất giống thủy sản với các đối tượng có giá trị kinh tế cao như tôm sú, tôm càng xanh, cá chẽm, cá mú… Đòi hỏi phải có những thức ăn

tự nhiên kích thước nhỏ phù hợp với cỡ miệng của ấu trùng như: vi tảo, luân

trùng, Moina, Artemia… Để làm tốt được điều đó phải có thức ăn cơ sở là vi tảo đặc biệt là Chlorella

Chlorella là loài tảo được phân lập và nuôi đầu tiên vào năm 1890, bởi

nhà sinh vật học Hà Lan, M.W Beijerinck Tảo phân bố rộng ở cả môi trường nước ngọt và môi trường nước lợ Ngoài có vai trò lớn trong Nuôi trồng thủy sản, tảo còn có vai trò trong các ngành khác như: y học, hóa mỹ phẩm, công nghiệp chế biến thức ăn…

Trong mô hình kết hợp người ta đã tận dụng chất thải của nhiều nguồn, đặc biệt là phân từ chăn nuôi để làm hầm ủ biogas, nước thải từ hầm ủ được sử dụng cho ao cá Nước thải là nguồn dinh dưỡng để các loại thức ăn tự nhiên phát triển mà tảo là mắc xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn

Xuất phát từ những ý nghĩa đó, đề tài “Sử dụng nước thải từ hầm ủ

biogas để nuôi tảo Chlorella” được thực hiện

1.2 Mục tiêu đề tài:

Ứng dụng nuôi tảo Chlorella bằng nước thải từ hầm ủ biogas cho hộ

dân ở các địa phương có nhiều bèo lục bình, kết hợp hầm ủ biogas để nuôi thức ăn tự nhiên

1.3 Nội dung đề tài:

Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp cho

sự phát triển của tảo Chlorella

Tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Giống: Chlorella (Bold and Wynne, 1978)

HÌNH 2.1 Tảo Chlorella (www.bartonpublishing.com)

2.1.2 HÌNH thái, cấu tạo

Chlorella là loại tảo đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng di

động chủ động Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình oval Kích cỡ tế bào từ 3 - 5µm, hay ngay cả 2 - 4µm tùy loài, tùy điều kiện môi trường và giai đoạn phát triển Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, chịu được những tác động cơ học nhẹ Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và chất lượng của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ, 1995)

bào trẻ này lớn lên và phát triển đến giai đoạn chín sinh dục, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995)

2.1.4 Giai đoạn phát triển của quần thể tảo

Tamiya, 1963 (trích bởi Sharma, 1998) trong khi nghiên cứu vòng đời

của Chlorella ellipsoidea chia làm 4 giai đoạn:

Giai đoạn tăng trưởng: ở giai đoạn này các tự bào tử sẽ tăng nhanh về

kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp

Giai đoạn bắt đầu chín: tế bào mẹ chuẩn bị quá trình phân chia

Giai đoạn chín mùi: tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc

trong bóng tối

Giai đoạn phân cắt: màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các tự bào tử được

phóng thích ra ngoài

Theo Trần Thị Thanh Hiền và ctv (2003), với chế độ dinh dưỡng thích

hợp và điều kiện lý học thuận lợi quá trình sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau:

HÌNH 2.2 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo

Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào gia tăng kích

thước nhưng không có sự phân chia

Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục, tùy thuộc vào

kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ…

Pha tăng trưởng chậm: sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đổi

một yếu tố nào đó

Pha quân bình: Sự cân bằng được tạo ra giữa tốc độ tăng trưởng và

Beverly A Potter PHD et al_ http://books.google.com.vn)

Các nhà nghiên cứu đã xác định được chúng chứa 50 - 60% protein, có chứa nhiều acide amin thiết yếu, 20 -30% glucid và 10 – 20% lipid, với các

acide béo không no Chlorella chứa hầu hết các vitamin: A, B1, B2, B6, B12, C,

D, K… (Trần Văn Vĩ, 1995)

Trong những năm của thập niên 1940, hai nhà nghiên cứu Jorgensen và

Convit, dùng tảo Chlorella cho 80 bệnh nhân hủi ở Venezuela Thể chất của

các bệnh nhân đã được cải thiện, đó là bằng chứng có lợi cho sức khỏe của tảo

Chlorella Mở ra một triển vọng lớn cho một loại thức ăn mới bổ dưỡng và có

giá trị y học Thập niên 50 của thế kỷ 20, tảo được ứng dụng làm thức ăn và thuốc của con người Người Nhật là những người tiên phong, và ăn tảo trở thành một xu hướng ở nước này Những năm 1950 và 1960, người ta đã nuôi sinh khối tảo ở nhiều quốc gia như: Mỹ, Liên Ban Xô Viết, Nhật, Đức, Israel Một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Dr Dam kết luận rằng người khỏe mạnh có thể sử dụng tảo làm nguồn cung cấp protein chính yếu cho cơ thể (90 – 95% nhu cầu protein) trong vòng 20 ngày Tuy nhiên nguồn cung cấp đạm từ tảo không thể cạnh tranh với đạm từ đậu nành bởi vì giá cả đắt hơn (Dhyana Bewicke, Beverly A Potter PHD et al_ http://books.google.com.vn)

2.1.6 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của tảo

2.1.6.1 Ánh sáng

Cũng như các loài thực vật khác, tảo cũng cần ánh sáng cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ carbondioxide Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tùy theo điều kiện nuôi Nuôi trong bình thủy tinh, dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng khoảng 1.000 lux, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cũng lớn khoảng 5.000 – 10.000 lux Sử dụng ánh sáng nhân tạo thì

thời gian chiếu sáng ít nhất 18 giờ/ngày Nuôi tảo Chlorella trong quy trình

nước xanh cải tiến bằng cá rô phi, cường độ ánh sáng cần khoảng 4.000 –

30.000 lux (Nguyễn Thanh Phương và ctv, 2003)

2.1.6.2 pH

Hầu hết các loài tảo nuôi có thể sống trong khoảng pH = 7 – 9, đối với

tảo Chlorella pH thích hợp từ 6 - 8.5 Nếu pH thay đổi lớn có thể làm cho tảo

bị tàn lụi (Nguyễn Thanh Phương và ctv, 2003) pH cho tảo phát triển tốt nhất cho tảo Chlorella từ 8 – 9 (Trần Thị Thủy, 2008)

2.1.6.3 Nhiệt độ

Mỗi loài tảo có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau Nhưng nhìn chung nhiệt độ tối ưu để nuôi tảo dao động trong khoảng 23 – 300C tùy theo

loài (Trương Sĩ Kỳ, 2004) Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp cho tảo Chlorella

thích hợp là 25 – 350C nhưng có thể chịu đựng nhiệt độ 370C (Liao, 1983 trích

bởi Thủy, 2008) Theo Trần Thị Thủy (2008) nhiệt độ tối ưu cho tảo Chlorella

phát triển là 340C

2.1.6.4 Sục khí

Theo Persoon (1980) nhận xét giữa các chế độ sục khí liên tục, bán liên tục và không sục khí đã nhận thấy năng suất của bể sục khí cao hơn 30% so với bể không sục khí

2.1.6.5 Dinh dưỡng

Qúa trình quang hợp thực vật cần nhiều vật chất dinh dưỡng để tổng hợp chất hữu cơ và sinh trưởng, trong số các nguyên tố cần thiết cho thực vật thì trong nước chỉ có vài nguyên tố có thể đáp ứng đủ nhu cầu (O2 và H2), các nguyên tố còn lại đều có hàm lượng rất thấp so với nhu cầu của thực vật Do

đó, thực vật thường tăng cường hấp thu và dự trữ các nguyên tố đó để phục vụ cho quá trình sinh trưởng cũng như tổng hợp chất hữu cơ Bên cạnh carbon, nitơ và phospho là 2 nguồn dinh dưỡng cần thiết cho quá trình phát triển của tảo và tỷ lệ N:P thường được đề nghị là 6:1 (Valero, 1981)

* Đạm

Đối với Chlorella nguồn nitơ sử dụng là muối amonium, nitrate và urea

trong đó amonium cho kết quả tốt nhất (Iriarte, 1991) Trường hợp nguồn nitơ

có đồng thời amonium, nitrate và urea thì Chlorella sẽ sử dụng amonium trước

còn nitrate và urea sẽ được tảo chuyển hóa thành amonium trước khi kết hợp vào thành phần hữu cơ Việc bổ sung amonium vào tế bào tảo khi đang hấp

thu nitrate thì lập tức hạn chế hoàn toàn quá trình này Sự hấp thu amonium là nguyên nhân kìm chế enzym hấp thu nitrate Amonium không ảnh hưởng đến

sự tổng hợp tiền thể của enzym nitrate nhưng amonium hoặc các sản phẩm chuyển hóa của nó dường như ngăn cản kết nối tiền thể protein vào trong enzym hoạt hóa bằng cách hạn chế quá trình tổng hợp protein cần thiết cho sự

kết nối này (Oh – Hama và ctv, 1986)

Chlorella có thể sử dụng nguồn urea khi nó là nguồn cung cấp đạm duy

nhất (Roon, 1968 trích bởi Oh – Hama, 1986) Khi chuyển N – NO3- thành N –

NH4+ đòi hỏi nguồn năng lượng và enzym khử nitrate Tương tự theo nghiên cứu của Ojeda (1986) về sự phát triển và thành phần hóa học của 3 loài tảo sử dụng 4 nguồn nitrogen khác nhau Ông nhận thấy tảo phát triển tốt ở giai đoạn

cuối khi sử dụng nguồn nitrate là urea trong khi Chlorella có tốc độ phát triển cao giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng amonium Tùy loài Chlorella mà có sự tích lũy acid béo hoặc tinh bột khác nhau: C Ellipsoidea SK và C Pyrenoidosa 82 sẽ tăng acid béo trong khi Chlorella chỉ tăng về carbonhydrate

và C Vulgaris tăng cả về carbon và acid béo Sự thay đổi quá trình trao đổi

chất kết hợp với tốc độ phát triển của tế bào tảo giảm dưới điều kiện thiếu nitrogen (Oh – Hama, 1986)

* Lân

Theo Round, 1965 khi bất kỳ một nhóm tảo nào phát triển chiếm ưu thế đều liên quan đến khả năng dự trữ nitrogen và phospho, tỷ lệ số lượng của các dinh dưỡng cho sinh khối tảo cũng được Round xác định và được xem là một

tỷ lệ thực nghiệm tốt, C:H:O:N:P bằng 42:8,5:57:7:1

* Vitamin B 12

Theo Isao Maruyama (1980) đã nghiên cứu về khả năng hấp thu vitamin B12 của tảo Chlorella nước ngọt bằng cách điều chỉnh điều kiện nuôi cấy cho thấy rằng tảo Chlorella vulgaris K-22 tích trữ B12 trong cấu trúc tế bào với lượng từ 0,2 – 1100 µg/100g Vitamin B12 có thể được giữ lại trong tế bào tảo đến 30 ngày trong điều kiện lạnh và 3 ngày nếu giữ tảo trong nước biển nhân tạo

2.1.7 Một số hình thức nuôi tảo

Theo John R Benemann (2009) có nhiều phương cách để nuôi tảo như

hệ thống hở, kín, nuôi trong ao, bình, túi diện tích nuôi rất đa dạng phụ thuộc vào sự đầu tư, mục đích nuôi và nhiều yếu tố khác

Nuôi với hệ thống mở thì rất dễ bị tạp nhiễm bởi nhiều tác nhân như tạp đoàn tảo khác, amíp, nấm Hệ thống kín thì phải chú ý vấn đề nhiệt độ

* Hệ thống ao mở, nước chảy, mực nước thấp, ao kết hợp với hệ thống khác:

Trong hệ thống nước chảy, độ sâu mực nước từ 6 – 16 inches (15 – 40cm), được xây dựng bằng xi măng hay plastic, diện tích khoảng 0,5ha, có

kết hợp với cánh quạt Hệ thống này để nuôi tảo Spirulina, Dunaliella salina, Chlorella vulgaris và Haematococcus pluvialis (cho astaxanthin) Các ao hình tròn ở Nhật và viễn Đông để sản xuất Chlorella (ao có quy mô 1000m2, ¼ ha /ao)

* Hệ thống kín:

Được thiết kế hình ống có đường kín 5cm cố định, hoặc được thiết kế dạng túi có đường kín thay đổi, thông thường khoảng 10cm Có nhiều kiểu thiết kế khác như: kiểu vòm, kiểu bán cầu, túi treo, màng phẳng

2.1.8 Khả năng sử dụng tảo Chlorella để xử lý chất thải

Theo John R Benemann (2009) nuôi trồng tảo để phục vụ cho chất đốt sinh học nói chung và sự khai thác dầu nói riêng không phải là một viễn cảnh

Vi tảo cũng có vai trò trong việc xử lý nước thải, tảo sẽ loại bỏ nitơ và

phospho ra khỏi môi trường nước

Một số thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra sự chuyển hóa TN và

TP ra khỏi môi trường nước thải bằng tảo Chlorella như của Luz Estela Gozález (1997) là người đã phát hiện ra rằng tảo Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphus hấp thu 95% NH4+ và 50% TP trong nước thải Tảo được nuôi trong các ống hình trụ và trong bình tam giác, cho thấy trong giai

đoạn đầu thí nghiệm tảo Scenedesmus có hiệu quả hơn trong loại bỏ dinh

dưỡng nhưng ở cuối kỳ thí nghiệm thì tương tự nhau Thí nghiệm này cho thấy

có thể dùng các vi tảo này để xử lý nước thải trên các dòng sông ở Colombia

Sirance Sreesai and Preeda Pakpain (2007) đã nghiên cứu khả năng loại

bỏ dinh dưỡng ra khỏi nước thải của tảo Chlorella vulgaris, được đo lường

bằng hàm lượng TKN và TP Sự loại bỏ dinh dưỡng cao nhất ở nghiệm thức nuôi tự nhiên và lượng TKN và TP được loại bỏ khỏi môi trường nước lần lược là 88% TKN và 68%TP

2.2 Biogas

2.2.1 Một số vấn đề về biogas

Vấn đề năng lượng và môi trường là hai vấn đề lớn được đặc ra cho xã hội loài người Ở các nước phát triển và đang phát triển, Chính phủ và các nhà khoa học đang tìm nhiều nguồn năng lượng thay thế dầu hỏa vì sản lượng dầu

có hạn mà nhu cầu con người thì vô hạn Bên cạnh việc phát triển thì vấn đề ô nhiễm môi trường, trong đó có ô nhiễm chất thải trong sinh hoạt và chăn nuôi đang được quan tâm khắc phục

Biogas là biện pháp giải quyết phần nào 2 vấn đề trên bởi vì nó giúp chuyển các chất hữu cơ sang khí sinh vật đốt trực tiếp để nấu ăn hoặc thấp sáng, hoặc sử dụng gián tiếp thành nhiên liệu cho các động cơ cung cấp điện năng, động năng Các nước có nhiều hầm ủ biogas như Trung Quốc 7 – 8 triệu hầm khí sinh vật Ấn Độ 100.000 hầm, Hàn Quốc 29.000 hầm Phần lớn ở các nước đang phát triển người ta sử dụng 2 hình thức thiết kế cơ bản là: hầm sinh khí cố định, hầm sinh khí có nắp di động và hầm sinh khí dạng túi Nhiệt độ thích hợp cho vi khẩn sản sinh khí CH4, một loại từ 30 – 400C và một loại ở 50 – 600C (Nguyễn Duy Thiện, 2001)

HÌNH 2.3 (A) Hầm sinh khí kiểu vòm cố định; (B) Hầm sinh khí có

nắp đậy di động; (C) Hầm sinh khí dạng túi

Phân hủy kỵ khí là một quá trình sinh học, các chất hữu cơ bị phân hủy trong điều kiện thiếu Oxy cuối cùng sẽ sinh ra khí gas Khí gas được sử dụng trong nấu ăn, sinh nhiệt, sinh điện năng và bùn dinh dưỡng Quá trình này trải qua 3 giai đoạn (Carina C Gunnarsson and Cecilia Mattsson Petersen, 2005)

Hinh 2.4 Quá trình lên men kỵ khí

Giai đoạn thủy phân: Các chất hữu cơ trong nước thải phần lớn là các

chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate… một vài chất dạng không hòa tan Các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào được sản sinh bởi các vi sinh vật sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ hơn

Giai đoạn sinh acide: các chất hữu cơ sinh ra ở giai đoạn trên sẽ

chuyển thành acide acetic, H2, CO2 bởi vi khuẩn Acetogenic

Giai đoạn sinh methane: các sản phẩm của giai đoạn sinh acid được

chuyển đổi thành methane Các vi khuẩn sinh methane sử dụng acid acetic, methanol, CO2, H2O làm nguyên liệu sản sinh ra methane trong đó acid acetic

là nguyên liệu chính (Lăng Ngọc Huỳnh, 2003)

2.2.2 Biogas và lục bình (Eichhornia Crassipes)

Theo Carina C Gunnarsson and Cecilia Mattsson Petersen, 2005 thì lục bình chứa nhiều Nitrogen, đến 3.2% vật chất khô Tỷ lệ C/N là 15:1, có thể làm phân hoặc làm biogas Chất thải từ quá trình sinh khí gas cũng chứa nhiều dưỡng chất và cũng có thể làm phân bón Để đáp ứng nhu cầu năng lượng thường xuyên, biogas là một giải pháp tối ưu, nhưng điều đó lại bị cản trở bởi khả năng đầu tư và trình độ kỹ thuật Nếu trộn lục bình và phân động vật đem

ủ gas thì sẽ sinh nhiều gas hơn chỉ có lục bình Khí gas sinh ra có thể chứa 60% methane

Lục bình là một loại bèo có rất nhiều trên các sông rạch của Đồng bằng sông Cửu Long, trước đây lục bình được dùng để làm các đồ thủ công, ủ phân, cho gia súc ăn… nhưng hiện nay lục bình còn được sử dụng vào một mục đích khác đó là sản xuất gas sinh học với dự án VIE/020 Water Hyacinths, được thực hiện tại Hòa An, Phụng Hiệp, Hậu Giang.(Gia Khiêm, SGTT 06/06/2008, cập nhật ngày 9/6/2008 từ www.vietlinh.vn)

Các kết quả cho thấy lượng biogas sinh ra từ nước ép lục bình, nước ép Lục Bình + 5% phân heo và nước ép lục bình + 10% phân heo là 0,317 m3

methane/kg COD bị loại bỏ, 0,31 m3 methane/kg COD bị loại bỏ và 0,317 m3 methane/kg COD bị loại bỏ theo thứ tự Nước ép lục bình thích hợp để sản xuất biogas, tuy nhiên hàm lượng chất hữu cơ của nước ép lục bình sau quá trình lên men yếm khí vẫn còn khá cao, cần phải được xử lý thêm trước khi thải ra môi trường (Lê Hoàng Việt, 2004)

Một nghiên cứu của O Almoustapha & ctv, 2009 cho thấy rằng nguồn

biogas sản xuất từ hỗn hợp nước ép lục bình và phân tươi của động vật nhai lại (tỷ lệ 3:1) có thể thay thế củi và trở thành nguồn năng lượng cần của Niamey (Niger) Sáu hầm sinh khí có thể tích 5m3 mỗi hầm chúng sinh ra lượng khí gas kể cả trong mùa nóng lẫn mùa lạnh lần lược là 0,52m3 và 0,29m3 trên m3 trong 1 ngày

2.3 Tận dụng chất thải từ hầm ủ biogas

Luz Estela González (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., 1998 trích dẫn bởi Maria Asplund, 2008)

Theo Mark Wells, giới thiệu một hệ thống sản xuất nông nghiệp không

có chất thải Các chất còn lại sau quá trình phân hủy kỵ khí dùng để làm phân bón cho cây trồng, cho xuống ao nuôi cá để phát triển thức ăn tự nhiên, trồng

rau thủy canh, cho vào bể nuôi tảo Chlorella

HÌNH 2.5 Hệ thống không có chất thải (www.pmg.org.za)

Cá nuôi trong ao đất 200 m2/ao với chất thải từ hầm ủ biogas quy mô nhỏ có thể đạt năng suất 3,7 tấn/ha/năm Sinh khối của thực vật phiêu sinh ở

trong ao thấp, có thể do có nhiều chất cặn bã do đàn cá khuấy động, và cá cũng thu được một lượng lớn dinh dưỡng có ý nghĩa từ mạng lưới thức ăn đó Ước tính để có 60kg cá hàng năm từ ao 200m2 với chất thảy từ 6.3m3 từ hầm

ủ, nó sẽ sinh ra 1.5m3 gas/ngày đủ cho một gia đình ở nông thôn với 5 nhân khẩu (P Edward, C S Rajput and C Pacharaprakiti, 1987)

Tỷ lệ sống của cá chép bón phân từ chất thải của hầm ủ biogas không

bổ sung thức ăn là 100% cao hơn tỷ lệ sống của cá ở trong hồ bón phân gà tây

là 90% (17.000 kg/ha/năm) và bổ sung thêm cám gạo, bánh dầu (Kaur, 1981) Trong ao xử lý bằng phân gia súc, tỷ lệ sống của cá chép khoảng 93,3% đến 100% (Sandu, 1982; Sood, 1984) Tỷ lệ sống thấp khoảng 62.6% đến 76.8% ở

ao bón phân gà, có sử dụng phụ phẩm nông nghiệp (Sehgal và Thomas, 1985) Như vậy, chất thải từ hầm ủ biogas chất lượng hơn phân sống của động vật, phân gà tây cho cá chép (Kaur, K và S Sehgal, 1987)

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 Æ module vi tảo Æ module zooplanton Æ module ao nuôi cá kết hợp Æ module các loài thực vật vĩ mô tự nhiên Hàm lượng dinh dưỡng đi vào hệ thống ban đầu: N – NO3-, N – NH4+, tổng lân lần lược là 670mg/l, 150mg/l, 95mg/l Có đến 36% tổng đạm và 92% tổng phospho được chuyển hóa vào trong sản phẩm thu hoạch, và đó là cách để loại trừ chúng ra khỏi nước Với lượng nước thải từ hầm ủ biogas khoảng 2,6m3/ tuần cho 280 m3 nước của toàn bộ hệ thống (module thực vật vĩ mô 45m3, module vi tảo 27m3, module zooplankton 86m3, module nuôi cá kết hợp 86m3, module loài thực vật vĩ mô tự nhiên 32m3) Năng suất cá có thể đạt 5.500 kg/ha/năm

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Thời gian và địa điểm

Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu đa dạng sinh học

Hòa An, Phụng Hiệp, Hậu Giang từ tháng 02 năm 2009 đến tháng 06 năm

2009

3.2 Vật liệu nghiên cứu

-Bể nuôi tảo 500 lít, keo thuỷ tinh 10 lít

- Hệ thống đèn huỳnh quang, nhiệt kế, pH kế

- Dụng cụ theo dõi mật độ tảo: kính hiển vi, buồng đếm tảo Bucker, pipette tự

động

- Hóa chất: formol cố định mẫu, cồn 700, hóa chất cố định mẫu và phân tích

mẫu môi trường

- Nước thải từ hầm ủ biogas: nguồn nước thải có từ hầm ủ biogas 4.5 m3 với

75% phân heo và 25% xác bèo lục bình cắt nhỏ thủy phân 2 ngày trước khi ủ

(bổ sung vào hầm ủ 15kg phân heo/ ngày và 109.2 kg lục bình/tuần) Nguồn

dinh dưỡng của chất thải sẽ căn cứ vào tổng đạm trong dung dịch Walne

- Nguồn nước: nước kênh để lắng khoảng 1 ngày lấy phần nước trong, sục

Ozon 12 giờ để diệt khuẩn, tiếp tục sục khí 24 giờ để bay hết ozon rồi đem vào

sử dụng

- Nguồn tảo: từ phòng tảo giống của trường Đại học Cần Thơ

3.3 Bố trí thí nghiệm

3.3.1 Thí nghiệm 1: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ

biogas thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella

Thí nghiệm được thực hiện trong trong bể 500 lít, có sục khí liên tục

Nhiệt độ nước thay đổi, ánh sáng được cung cấp từ ánh sáng mặt trời Tảo

Chlorella được nuôi cấy với mật độ ban đầu 500.000 tb/ml

Thí nghiệm sẽ được bố trí ngẫu nhiên 4 nghiệm thức với 3 lần lập lại

bao gồm:

- NT1: Cấp chất thải hàng ngày theo tỷ lệ đạm: 2 ppm N/ngày

- NT2: cấp chất thải hàng ngày theo tỷ lệ đạm như sau

+ 5 ngày đầu: 1 ppm N/ngày

+ Từ ngày thứ 6 đến ngày thứ 10: 3ppm N/ngày

+ Từ ngày thứ 11 đến ngày thứ 16: 2ppm N/ngày

- NT3: Cấp chất thải hàng ngày với tỷ lệ 1ppm N/ngày

- NT4: đối chứng – dung dịch Walne

Thí nghiệm kéo dài trong 7 ngày

3.3.2 Thí nghiệm 2: tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo

Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas

Thí nghiệm được tiến hành ở trong phòng bằng keo 10 lít (thể tích nuôi

8 lít), nhiệt độ ổn định theo ngày đêm, ánh sáng được cung cấp từ 3 bóng đèn

huỳnh quang 1.2m Tảo Chlorella nuôi cấy với mật độ ban đầu 500.000 tb/ml

Thí nghiệm sẽ được bố trí ngẫu nhiên 4 nghiệm thức với 3 lần lặp lại bao gồm:

- NT1: thu hoạch 10% mỗi ngày

- NT2: thu hoạch 30% mỗi ngày

- NT3: thu hoạch 50% mỗi ngày

- NT4: không thu hoạch – đối chứng

- Thí nghiệm được thực hiện trong 10 ngày

- Nguồn nước thải từ hầm ủ biogas đưa vào thí nghiệm với lượng 2ppm N/ngày (NT2ppm của thí nghiệm 1 có mật độ tảo cao nhất)

- Thu hoạch: thu hoạch từ ngày thứ 4 của thí nghiệm thu hoạch mỗi ngày, dùng ống hút nhựa để rút nước trong các keo nuôi tảo theo tỷ lệ thu hoạch ở các NT10%, NT30%, NT50%, NT0% tương ứng là 0,8 lít, 2,4 lít, 4 lít và 0 lít nước trong keo Sau đó bổ sung nước mới bù lại lượng nước đã thu đến 8lít

3.4 Thu thập, tính toán và xử lý số liệu

- Các thông số theo dõi: nhiệt độ, ánh sáng, pH, TAN, TN, TP, mật độ tảo

- Ánh sáng: theo dõi hàng ngày bằng máy đo cường độ ánh sáng

- pH: theo dõi hàng ngày bằng máy đo pH

Các chỉ tiêu sau sẽ thu mẫu 3 ngày/lần:

- TAN: phân tích theo phương pháp Indo – phenol blue

- TN: NO3- phân tích theo phương pháp Salicilate

- TP: phân tích theo phương pháp Molibden blue

- Mật độ tảo: Thu mẫu lúc 10 giờ sáng mỗi ngày bằng cách sử dụng micropipet 1ml và cố định mẫu bằng formol 100µl Và xác định bằng buồng đếm Burker Xác định mật độ tảo theo Coutteau (1996)

Số tế bào tảo/ml = ((n1 + n2)/160) x 10 x d Trong đó :

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Thí nghiệm 1: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas

thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella

4.1.1 Các yếu tố môi trường

phát triển (Liao, 1983)

4.1.1.2 Ánh sáng

Trong thời gian thí nghiệm là mùa mưa nên cường độ ánh sáng thay đổi liên tục qua các ngày Cường độ ánh sáng vào lúc 9 giờ sáng trung bình 14.395 ± 3.642 lux, buổi chiều là 20.162 ± 2.995 lux

gian thí nghiệm thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella Theo Oh-Hama

và ctv (1986) cường độ ánh sáng cho quá trình quang hợp của tảo Chlorella là

4.000 – 30.000 lux tùy loài Theo Siranee Sreesai and Preeda Pakpain (2007)

nuôi tảo Chlorella vulgaris bằng ánh sáng tự nhiên cường độ ánh sáng dao

động từ 2.500 – 9000 lux cho sinh khối cao hơn nuôi ở cường độ ánh sáng cố định 3000 lux, 5000 lux và 8000 lux

4.1.1.3 pH

pH trung bình qua các ngày thí nghiệm là 8,6 ± 0.3 trong đó cao nhất là

9,6 ± 0,1 và thấp nhất là 7,3 Theo Trần Thị Thủy, 2008 Tảo Chlorella phát

triển tốt nhất khi pH từ 8 – 9, theo đề nghị của Coutteau, 1996 thì pH tối ưu cho tảo là 8,2 – 8,7 pH trong các nghiệm thức ở khoảng thích hợp cho sự phát

triển của tảo Chlorella

Qua HÌNH 4.3 cho thấy không có sự khác bịêt về pH giữa các nghiệm thức cụ thể giá trị pH ở NT2ppm, NT thay đổi, NT1ppm và NT Walne lần lược là 8,9±0,9; 8,7±0,8; 8,6±0,8; 8,2±0,5 Bắt đầu từ ngày thứ 3 pH cao hơn 9,0 ở các nghiệm thức sử dụng chất thải do lúc này tảo đã thích nghi với môi trường mới, tảo tăng trưởng nhanh Giá trị pH phụ thuộc vào nhiều yếu tố, pH tăng là do tảo phát triển hấp thu CO2 cho quá trình quang hợp làm thay đổi hàm lượng cacbonate – bicacbonate, đồng thời tảo hấp thu NO3 làm pH tăng (Oh – Hama, 1986) Quá trình phân hủy tảo chết làm gia tăng lượng CO2, pH giảm nhẹ vào cuối thí nghiệm cùng với sự suy tàn của tảo

6 7 8 9 10

Ngày

NT1 (2ppm) NT2 (thay đổi) NT3 (1ppm) NT4 (Wanle)

HÌNH 4.3 Biến động pH trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1)

pH ở các nghiệm thức biogas lớn hơn so với nghiệm thức đối chứng sử dụng dung dịch Walne Mật độ tảo trong nghiệm thức sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas tương đối cao hơn so với nghiệm thức Walne (BẢNG 4.1) Sinh khối tảo quang hợp mạnh đồng thời hấp thu nhiều CO2 làm cho pH tăng Vào cuối giai đoạn nuôi do quần thể tảo tàn lụi, mật độ tảo giảm dẫn đến giảm hấp thu NO3- trong nước khiến pH giảm, đồng thời sự phân hủy của tảo chết và chất hữu cơ trong nước thải làm tăng lượng CO2 làm pH giảm

BẢNG 4.1 pH các nghiệm thức trong thời gian thí nghiệm (thí nghiệm 1)

Ngày NT2ppm NT2 thay đổi NT1ppm NT Walne

Đạm amonium (TAN) rất quan trọng cho sự phát triển của quần thể tảo

Theo Oh – Hama (1986) tảo Chlorella luôn ưu tiên sử dụng đạm amonium

mặc dù trong môi trường nước có các dạng khác là nitrate và urea Vì vậy, hàm lượng TAN trong nước sẽ được tảo hấp thu liên tục làm cho hàm lượng TAN trong nước thấp Điều này phù hợp với các thí nghiệm của Trần Thị

Thủy (2008) cho thấy hàm lượng TAN giảm qua 13 ngày nuôi tảo Chlorella

NT1 (2ppm) NT2 (thay đổi) NT3 (1ppm) NT4 (Wanle)

HÌNH 4.4 Biến động hàm lượng TAN ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1)

TAN ở các NT còn lại thấp hơn NT2ppm

BẢNG 4.2 Hàm lượng TAN trung bình ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1)

Nghiệm thức NT2ppm NT thay đổi NT1ppm NTWalne

sự hấp thu NH4+ trong bóng tối Goldman and Glibert (1982, trích dẫn bởi Ivor

R Elrifi and David H Turbin, 1985) cho rằng trong ánh sáng sự hấp thu NH4+

nhanh chóng Mặt khác, tảo ưu tiên sử dụng NH4+ hơn các dạng nitơ khác (Oh

– Hama và ctv, 1986) Do đó, hàm lượng TAN của các NT giảm mạnh ở các

ngày sau khi sinh khối tảo gia tăng