Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi giàu nitơ, photpho bằng vi tảo

Trong công nghệ xử l nước thải chăn nuôi lợn đòi hỏi sự kết hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học khác nhau.. Trong các phương pháp xử l sinh học nước thải có một phương pháp đã

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THÚY HÂN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI

GIÀU NITƠ, PHOTPHO BẰNG VI TẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.ĐOÀN THỊ THÁI YÊN

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả.Các số liệu nghiên cứu trong luận văn là trung thực.Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.Đoàn Thị Thái Yên.Những tài liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn đến TS Đoàn Thị Thái Yên,

cô đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học & Công nghệ môi trường và Phòng thí nghiệm R & D công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép

em tiến hành các thí nghiệm liên quan đến luận văn tốt nghiệp

Em xin cảm ơn anh chị kỹ thuật viên Phòng thí nghiệm R&D công nghệ môi trường đã hướng dẫn em trong việc sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm

Tôi xin cảm ơn các bạn Tuấn, Tuyến, Trang và Hoàng cùng thuộc nhóm nghiên cứu tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của TS Đoàn Thị Thái Yên, sự giúp đỡ

và động viên của các bạn đã góp phần không nhỏ để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn tới các em Thúy, Hiền và Long đã giúp đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ

và môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cuối cùng, xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè - những người luôn luôn ủng hộ, tin tưởng và giúp đỡ tôi./

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Học viên

Nguyễn Thị Thúy Hân

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH 6

DANH MỤC BẢNG 8

MỞ ĐẦU 9

1 Đặt vấn đề 9

2 Mục đích nghiên cứu 10

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12

1.1 T ng quan về nước thải chăn nuôi lợn 12

1.1.1 Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam 12

1.1.2 Thành phần đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn 12

1.1.2.1 Phân 13

1.1.2.2 Nước tiểu 14

1.1.2.3 Nước thải 14

1.1.3 Đặc điểm của N, P trong nước thải chăn nuôi 14

1.1.4 nh hưởng của nước thải chăn nuôi giàu N, P đến môi trường 16

1.1.4.1 Ô nhiễm nguồn nước 16

1.1.4.2 Ô nhiễm đất 16

1.1.4.3 Ô nhiễm không khí 17

1.1.5 Các phương pháp xử l nước thải chăn nuôi hiện nay và hiệu quả của các phương pháp .18

1.1.5.1 Các phương pháp vật lý xử lý nước thải chăn nuôi 18

1.1.5.2 Các phương pháp hóa học và hóa l xử l nước thải chăn nuôi 18

1.1.5.3 Các phương pháp sinh học xử l nước thải chăn nuôi 19

1.2 T ng quan về tảo 21

1.2.1 Giới thiệu chung về tảo 21

1.2.2 Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella 21

1.2.2.1 Đặc điểm và phân loại 21

1.2.2.2 Hình thái, cấu trúc 22

1.2.2.3 Sinh sản 23

1.2.2.4 Quá trình phát triển của tảo Chlorella vulgaris 24

1.2.2.5 Thành phần hóa học có trong tảo 25

1.2.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo[4] 25

1.2.3 Ứng dụng và khả năng xử l nước thải của tảo trên thế giới và ở Việt Nam 27

1.2.3.1 Ứng dụng của vi tảo[16] 27

1.2.3.2 Khả năng sử dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải[12] 27 1.2.4 Hệ thống nuôi trồng vi tảo và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống 29

1.2.4.1 Các hệ thống nuôi trồng vi tảo[11, 12] 29

1.2.4.2 Phương thức nuôi trồng vi tảo 32

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Điều kiện nuôi cấy và giữ giống trong phòng thí nghiệm 33

2.1.1 Nguồn gốc tảo 33

2.1.2 Phương pháp nuôi cấy 33

2.1.3 Điều kiện nuôi cấy và giữ giống 34

2.1.4 Vị trí và phương pháp lấy mẫu 34

2.1.5 Phương pháp nhân giống 35

2.2 Phương pháp xác định quá trình sinh trưởng của vi tảo 36

2.4 Phương pháp xác định nồng độ sinh khối khô 37

2.5 Phương pháp phân tích các thông số môi trường 38

2.5.1 Phương pháp phân tích COD 38

2.5.2 Phương pháp phân tích BOD5 39

2.5.3 Phương pháp phân tích NH4+-N 39

2.5.4 T ng Nitrogen Kjeldahl (TKN) 40

2.5.5 Phương pháp phân tích t ng Photpho (TP) và Octophotphat (PO43-) 40

2.5.6 T ng chất rắn lơ lửng 41

2.5.7 Đo pH 41

2.6 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng ô nhiễm tới khả năng phát triển của tảo và hiệu suất xử l nước thải bằng vi tảo .41

2.7 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ánh sáng tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của tảo .42

2.8 nh hưởng của chế độ sục khí tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của tảo .42

2.9 nh hưởng của tần suất thu tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của tảo 43

2.10 Xử lý số liệu 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Tính chất đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn 44

3.2 nh hưởng của các mức tải lượng nước thải đầu vào đến phát triển và hiệu quả xử l của tảo .45

3.2.1 Khảo sát khả năng tăng trưởng của tảo ở các mức tải lượng nước thải khác nhau .45

3.2.2 Sự biến đ i COD và hiệu suất xử l ở các mức tải lượng nước thải khác nhau .46

3.2.3 Sự biến đ i Nitơ và hiệu suất xử lý ở các mức tải lượng nước thải khác nhau 47

3.2.4 Sự biến đ i P và hiệu suất xử l ở các mức tải lượng khác nhau .48

3.3 nh hưởng của chế độ ánh sáng tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của tảo .49

3.3.1 Khảo sát sự tăng trưởng của tảo 50

3.3.2 Sự biến đ i COD ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux 51

3.3.3 Sự biến đ i NH4+-N ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux .52

3.3.4 Sự biến đ i TP ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux .53 3.3.5 Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux 53

3.4 nh hưởng của chế độ sục khí tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của

tảo 54

3.4.1 Khảo sát sự tăng trưởng của tảo 56

3.4.2 Sự biến đ i COD ở 2 chế độ sục khí khác nhau 56

3.4.3 Sự biến đ i NH4+-N ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm 57

3.4.4 Sự biến đ i TP ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm 58

3.4.5 Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm 58

3.5 nh hưởng của tần suất thu tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của vi tảo .60

3.5.1 Thí nghiệm bán liên tục mỗi ngày thay thế 20% và 30% dung dịch vi tảo bằng nước thải chăn nuôi lợn pha loãng .60

3.5.2 Thí nghiệm bán liên tục 3 ngày thay thế 30% dung dịch vi tảo bằng nước thải chăn nuôi lợn pha loãng .63

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BNNPTNT : Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tảo Chlorella vulgaris 22

Hình 1.2 Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo 24

Hình 1.3 Các dạng bể hở: raceway (a,b), bể tròn (c), bể dốc (d) 30

Hình 1.4 Một số thiết bị PBR dạng ống và dạng tấm 31

Hình 2.1 Vị trí lấy mẫu 34

Hình 2.2 Hệ thống nuôi giữ giống tảo sử dụng trong đề tài 36

Hình 2.3 Buồng đếm hồng cầu Improved Neubauer, Đức 36

Hình 3.1 Đường cong sinh trưởng của sinh khối tảo ở các mức tải lượng ô nhiễm nước thải khác nhau 45

Hình 3.2 Biến đ i COD ở các mức tải lượng nước thải khác nhau 46

Hình 3.3 Hiệu suất xử l COD ở các mức tải lượng khác nhau .47

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử l N t ng (TKN) ở các mức pha loãng kha c nhau .48

Hình 3.5 Biến đ i của t ng P và hiệu suất xử l ở các mức ô nhiễm đầu vào khác nhau 49

Hình 3.6: Thiết bị phản ứng quang sinh học dạng ống sử dụng trong nghiên cứu .50

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối khô của tảo ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux .51

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn sự biến đ i của COD theo ngày ở chế độ 2000lux và 4000lux .52

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự thay đ i NH4+ -N ở ánh sáng 2000lux và ánh sáng 4000lux .52

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn sự thay đ i của P theo ngày ở ánh sáng 2000lux và 4000lux .53

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD, NH4+-N, TP ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux 54

Hình 3.12 Lưu lượng kế sử dụng trong nghiên cứu .55

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối tảo ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm .56Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn sự thay đ i COD ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm 57Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn sự thay đ i NH4+-N ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm 57Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn sự thay đ i TP ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm 58Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD, NH4+-N, TP ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm .59Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối khô của tảo trong thí nghiệm bán liên tục 61Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn sự thay đ i các chất ô nhiễm: NH4-N, PO43- và COD 62Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối khô của tảo trong thí nghiệm bán liên tục 63Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn sự thay đ i các chất ô nhiễm: NH4-N, PO43- và COD .64

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần phân lợn từ 70-100 kg[1] 13

Bảng 1.2 Thành phần hóa học nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg 14

Bảng 1.3 Phân loại các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi 18

Bảng 1.4 Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris [21] 25

Bảng 1.5 Hiệu suất xử lý nước thải bò sữa ở các mức pha loãng khác nhau[8] .28

Bảng 1.6 So sánh giữa bể hở và PBR[15] 31

Bảng 2.1 Thành phần của môi trường BG-11 33

Bảng 3.1 Tính chất đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn đề tài nghiên cứu 44

Bảng 3.2 Giá trị mức tải lượng ô nhiễm của các loại pha loãng của nước thải đầu vào 45

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và các ngành kinh tế khác, ngành chăn nuôi ở Việt Nam nói chung và ngành chăn nuôi lợn nói riêng cũng không ngừng tăng trưởng về mặt số lượng và chất lượng qua các năm Ngành chăn nuôi lợn không những góp phần cung cấp nhu cầu thực phẩm thiết yếu cho cuộc sống mà còn thúc đẩy phát triển xã hội Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích về mặt kinh tế - xã hội thì chất thải chăn nuôi lợn ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường sống và sức khỏe con người Nguyên nhân vì mô hình chăn nuôi trang trại, hộ gia đình nằm rải rác, chưa được quy hoạch hợp l dẫn đến việc kiểm soát gặp nhiều khó khăn Nguồn chất thải chăn nuôi lợn khi ra ngoài môi trường ở các dạng rắn, lỏng, khí, đặc biệt nguồn nước thải có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, virut, vi trùng, vi khuẩn, trứng giun sán và hàm lượng Nitơ, Photpho rất cao Nguồn nước này khi thải

ra môi trường mà chưa xử l thì có nguy cơ gây ô nhiễm nước mặt, nước ngầm gây phú dưỡng hóa nguồn tiếp nhận và trở thành nguyên nhân trực tiếp hoặc gián tiếp gây phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc Đồng thời nó có thể lây lan 1 số bệnh cho con người và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Chính vì vậy việc xử l nước thải cho các trang trại chăn nuôi lợn là hết sức cần thiết đối với quá trình phát triển ngành chăn nuôi của nước ta hiện nay, góp phần phát triển bền vững kinh tế-xã hội

Trong công nghệ xử l nước thải chăn nuôi lợn đòi hỏi sự kết hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học khác nhau Xử l nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền xử l nước thải hiện nay Phương pháp này có ưu điểm là khả năng khử các hợp chất hữu cơ hòa tan với hiệu suất cao, đồng thời cũng cho phép thu hồi một số sản phẩm có giá trị vì vậy đã góp phần làm giảm giá thành xử l nước thải Trong các phương pháp

xử l sinh học nước thải có một phương pháp đã giành được nhiều sự quan tâm đặc biệt của các nước có khí hậu nhiệt đới, đó là phương pháp nuôi trồng các loại vi tảo trong nước thải Phương pháp này có một số ưu điểm đáng chú như: tiết kiệm chi

chế dưỡng chất tốt hơn Ngoài ra sinh khối vi tảo là nguồn nguyên liệu có giá trị kinh tế như làm phân bón, thức ăn cho vật nuôi, nuôi trồng thủy hải sản và sản xuất nhiên liệu sinh học

Hiện nay có rất nhiều loài vi tảo, trong đó tảo Chlorella vulgaris được đánh giá cao trong xử l nước thải chăn nuôi Chlorella vulgaris thích ứng nhanh trong

nước thải chăn nuôi lợn, tốc độ phát triển cao, có hiệu quả xử l cao đối với các hợp chất:Nitơ, Photpho… nếu nuôi ở nồng độ và điều kiện thích hợp Sinh khối tảo thu được trong quá trình xử lý có thể được ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học

Sử dụng Chlorella vulgaris trong xử l nước thải chăn nuôi có nhiều ưu điểm, phù

hợp với tình hình nước ta hiện nay và mang tính thực tiễn cao

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn giàu Nitơ, Photpho bằng vi tảo

Chlorella vulgaris

3 Đối tượng v ph m vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nước thải chăn nuôi lợn đã qua xử lý sinh học yếm

khí bằng bể UASB Tuy nhiên nước thải sau khi qua bể vẫn còn một lượng lớn các chất ô nhiễm chưa xử lý triệt để (hàm lượng Nitơ, Photpho còn lại tương đối cao)

Ph m vi nghiên cứu: Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm ở quy mô bình

tam giác 250 ml, bình nhựa 3 lít và hệ thống 3 thiết bị quang sinh học dạng ống kín (PBR- Photo-Bio Reactor) có kích thước L x D = 1,8 m x 0,15 m, thể tích làm việc khoảng 30 lít ống

Nghiên cứu này tập trung đi vào một số nội dung sau:

+ Khảo sát ảnh hưởng của các mức tải lượng ô nhiễm đến sự tăng trưởng của

Chlorella vulgaris và hiệu suất xử l COD và Nitơ, Photpho

+ nh hưởng của chế độ ánh sáng đến khả năng xử lý ô nhiễm và tăng trưởng

của tảo Chlorella vulgaris trong nước thải

+ Chế độ vận hành hệ thống PBR: nh hưởng của chế độ sục khí đến khả năng

xử lý ô nhiễm và tăng trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong nước thải

+ Chế độ vận hành hệ thống PBR: nh hưởng của tần suất thu sinh khối/ xả

nước tới khả năng xử l ô nhiễm và tăng trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong

nước thải

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nước th i ch n nu i lợn

1.1.1 Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam

Theo đánh giá của T chức Lương thực Thế giới (FAO): Châu Á sẽ trở thành khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm từ chăn nuôi lớn nhất Chăn nuôi Việt Nam, giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh (Bình quân

giai đoạn 2001-2006 đạt 8,9%)

Trong những năm gần đây xu hướng chăn nuôi nhỏ lẻ đã giảm đi đáng kể Tỷ

lệ số hộ nuôi 1 con lợn giảm đi rõ rệt từ 45% năm 1994 xuống dưới 30% năm 2001 tuy nhiên, tỷ lệ số hộ nuôi 2 con lợn năm 2001 vẫn chiếm 67% t ng số hộ (so với 82% năm 1994) [7] Quy mô phát triển chăn nuôi của các hộ đã lớn hơn nhưng tính chuyên môn hoá chưa cao

Trong xu thế chuyên môn hóa sản xuất, hình thức chăn nuôi tập trung ngày càng ph biến ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới Hiện nay, số lượng trại chăn nuôi quy mô lớn ngày càng tăng Các trại chăn nuôi lợn tập trung có trên 400 –

500 con có mặt thường xuyên trong chuồng nuôi tăng lên Tính đến năm 2006 cả nước có: 17.721 trang trại, chưa kể các trang trại chăn nuôi các loại vật nuôi khác như thỏ, lợn rừng, nhím và các loại động vật sống trong nước (cá sấu, ) Trong đó:

có 7.475 trang trại chăn nuôi lợn, (miền Bắc: 3.069, miền Nam: 4.406)

Số lượng trang trại chăn nuôi lợn chiếm khoảng 42,1% t ng số lượng trang trại chăn nuôi ở Việt Nam Do đó có thể thấy rằng nước thải chăn nuôi lợn là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu trong ngành chăn nuôi và cần có sự quan tâm đúng mực để đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường

1.1.2 h nh ph n c trưng c a nư c th i chăn nuôi lợn

Chất thải sinh ra từ chuồng trại chăn nuôi lợn được thu gom xuống hầm tiêu bao gồm: phân từ lợn nuôi, nước tắm lợn, nước vệ sinh chuồng, nước tiểu lợn, khí, mùi hôi bay ra từ nước tiểu lợn, phân lợn…

Theo báo cáo của Antonie Pouilieute [7] nước thải chăn nuôi lợn bao gồm các thành phần chính sau:

- Các chất hữu cơ: hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% bao gồm cellulose, protit,

acid amin, chất béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của chúng, thức ăn thừa Các chất vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-

- N và P: khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên

khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu Trong nước thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng N và P rất cao

- Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và

trứng ấu trùng giun sán gây bệnh

1.1.2.1 Phân

Phân là sản phẩm loại thải của quá trình tiêu hoá của gia súc, gia cầm bị bài tiết ra ngoài qua đường tiêu hóa Chính vì vậy phân gia súc là sản phẩm dinh dưỡng tốt cho cây trồng hay các loại sinh vật khác như cá, giun… Do thành phần giàu chất hữu cơ của phân nên chúng rất dễ bị phân hủy thành các sản phẩm độc, khi phát tán vào môi trường có thể gây ô nhiễm cho vật nuôi, cho con người và các sinh vật khác Thành phần hoá học của phân bao gồm: các chất hữu cơ (protein, chất béo, …), các chất vô cơ ( khoáng đa lượng và vi lượng), nước, dư lượng thuốc kích thích, hooc môn,… Bên cạnh đó là các vi sinh vật gây bệnh như vi trùng, vi rút

Thành phần của phân có thể thay đ i phụ thuộc vào: chế độ dinh dưỡng, giống lợn, trọng lượng của lợn trong từng giai đoạn phát triển.[1]

1.1.2.2 Nước tiểu

Nước tiểu của lợn là sản phẩm bài tiết chứa đựng nhiều độc tố, là sản phẩm cặn bã từ quá trình sống, khi phát tán vào môi trường có thể chuyển hoá thành các chất ô nhiễm gây tác hại cho con người và môi trường

B ng 1.2 Thành phần hóa học nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của phân, nước tiểu của lợn, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom (số lần thu gom, vệ sinh chuồng trại và có hốt phân hay không hốt phân trước khi rửa chuồng), lượng nước dùng tắm và vệ sinh chuồng trại…

1.1.3 c i m c a N P trong nư c th i chăn nuôi

Khả năng hấp thụ Nitơ và Photpho của gia súc, gia cầm rất kém, nên khi thức ăn có chứa Nitơ, Photpho vào thì chúng sẽ bị bài tiết theo phân và nước tiểu Trong nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng Nitơ và Photpho rất cao Hàm

lượng Nitơ t ng trong nước thải chăn nuôi lợn của trại chăn nuôi đo được sau khi

ra khỏi UASB là 841-872mg/l, Photpho t ng là 297-374mg/l Theo Jongbloed và Lenis 27 , đối với lợn trưởng thành khi ăn vào 100g Nitơ thì: 30g được giữ lại cơ thể, 50g được bài tiết ra ngoài theo đường nước tiểu dưới dạng ure, còn 20g ở dạng phân Nitơ vi sinh vật khó phân hủy và an toàn cho môi trường

Nitơ bài tiết ra ngoài theo nước tiểu và phân dưới dạng ure, sau đó nhanh chóng chuyển hóa thành NH3 theo phương trình sau:

(NH2)2CO + H2O -> NH4 + OH-+ CO2 <-> NH3+ CO2 + H2O

Khi nước tiểu và phân bài tiết ra ngoài, vi sinh vật sẽ tiết ra enzime ureaza chuyển hóa ure thành NH3, NH3 phát tán vào không khí gây mùi hôi hoặc khuếch tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước

Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào:

- Lượng ure trong nước tiểu

- pH của nước thải, khi pH tăng, NH4+ sẽ chuyển thành NH3 Ngược lại, khi pH giảm, NH3 chuyển thành NH4+

NH3 + H2O < > NH4+ + OH

Điều kiện lưu trữ chất thải

Hàm lượng N-NH3 trong nước thải của trại chăn nuôi sau khi ra khỏi UASB khá lớn, chiếm 75-85% hàm lượng Nitơ t ng Nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng lớn Nitơ, Photpho Đây là nguyên nhân có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa cho các nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng xấu đến chất lượng nguồn nước và các vi sinh vật sống trong nước

Photpho tồn tại trong môi trường chủ yếu dưới dạng octophotphat (PO43-) có hóa trị 5+ ở dạng này dễ được các thực vật ở cạn và ở nước hấp thụ Động vật bài tiết lượng photpho trong thức ăn ở dạng phosphat qua nước tiểu Photpho cố định trong sinh giới được giải phóng khi bị phân huỷ do hoạt động của các vi khuẩn phosphat hóa, quá trình này bẻ gãy các hợp chất phosphat hữu cơ giải phóng ra ion phosphat

1.1.4 nh hưởng c a nư c th i chăn nuôi gi u N P n môi trư ng

1.1.4.1 Ô nhiễm nguồn nước

Nước thải chăn nuôi lợn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nhưng hiện nay vẫn chưa được quan tâm và xử lý triệt để Hàng năm nước ta thải ra khoảng 73 triệu tấn chất thải rắn và 25-30 triệu khối chất thải lỏng và hàng trăm triệu tấn chất thải khí [2] Trong đó, khoảng 50% chất thải rắn và 80% chất thải lỏng bị xả thẳng

ra môi trường mà không qua xử l Nước thải ra môi trường dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa đối với nước mặt Hậu quả là gây ra sự phát triển quá mức của rong, tảo khi trong nước giàu Nitơ, Photpho Khi đó các vi khuẩn phân hủy rong tảo cũng phát triển, nó sẽ sử dụng nồng độ oxy có trong nước làm cạn kiệt lượng oxy Khi thiếu oxy sinh vật trong nguồn nước đó sẽ chết và gây ra mùi hôi thối Khi quá trình oxy hóa bị ngưng lại thì quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra Các vi khuẩn kỵ khí phân hủy các hợp chất hữu cơ còn lại tạo ra một số khí như: CH4, CO2, H2S, Vì vậy nếu xả trực tiếp nước thải chăn nuôi lợn chưa xử lý có nồng độ cao N, P ra môi trường sẽ gây ảnh hưởng đến sinh thái nước, gây ra mùi hôi thối, gây ô nhiễm thứ cấp nước mặt và một phần nào đó là nước ngầm

Trong nước thải chăn nuôi lợn tồn tại một lượng lớn NH3, NH3 trải qua quá trình nitrat hóa tạo thành NO3- ngấm vào nước ngầm, vào đất Nước sinh hoạt hàng ngày

có nồng độ NO3- cao sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Các vi trùng và kí sinh trùng như: E.Coli, Salmonella, Cryptospridium, Giardia, Cholera, Streptococus, … là các mầm mống gây bệnh cho cả ở lợn và con người

Nước thải chăn nuôi còn là môi trường tốt cho ruồi nhặng phát triển mạnh, gây khó chịu cho người và gia súc Chúng còn là những vật trung trung gian truyền các bệnh truyền nhiễm cho người và vật nuôi

Ngoài ra đất bón phân lợn tươi nhiều năm ở lượng lớn sẽ làm cho đất bị nhiễm những kim loại nặng như Cu, Zn vì các kim loại này có trong thức ăn để tăng năng suất và phòng ngừa dịch bệnh Về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến vật nuôi và sức khỏe con người do sử dụng các sản phẩm trồng trọt từ nguồn đất bị ô nhiễm đó

Khi dùng phân tươi để bón cho cây trồng thì sẽ có nguy cơ gây ảnh hưởng đến sứa khỏe con người vì trong phân tươi nhiễm rất nhiều vi trùng, vi rut, trứng ấu trùng, vi khuẩn…Chúng sẽ bám vào rau theo đường thức ăn vào cơ thể con người

và vật nuôi, tăng nguy cơ lây nhiễm các bệnh về tiêu hóa và hô hấp

1.1.4.3 Ô nhiễm không khí

Các khí chính trong chăn nuôi thường ảnh hưởng đến sức khỏe con người như: bụi, NH3, H2S và CH4 tới Ngoài ra, các khí này thường quan tâm xác định do không những ảnh hưởng đến con người và vật nuôi mà còn gây ra hiệu ứng nhà

kính, làm biến đ i khí hậu toàn cầu

a/ Khí Ammonia (NH3)

Đây là loại khí chiếm nhiều nhất sinh ra từ chăn nuôi NH3 được sinh ra từ quá trình khử amin của protein trong chất thải chăn nuôi và nó có trong nước tiểu của lợn Nồng độ của NH3 phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, thành phần rắn của phân lợn NH3 trong không khí cao kéo dài có thể gây viêm ph i, gây hoại tử đường hô hấp và dẫn tới ung thư NH3 từ ph i vào máu đi lên não gây nhức đầu và

có thể dẫn đến hôn mê

b/ Khí Hydrogen sulphide (H2S)

Khí H2S là sản phẩm của quá trình phân giải axit amin chứa lưu huỳnh trong phân diễn ra trong quá trình lưu trữ, ủ phân và hầm xử lý kỵ khí H2S là loại khí rất độc, với 1 hàm lượng nhỏ có thể gây chết người

c/ Khí CH4

Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi, phân lợn tạo sản phẩm cuối cùng là CH4 Nồng độ CH4 trên 45% trở lên thì gây ngạt thở do thiếu oxy

d/ Khí Cacbondioxit (CO2)

Là sản phẩm được tạo ra từ quá trình hô hấp và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Nồng độ CO2 trong không khí chuồng nuôi phụ thuộc vào số lượng vật nuôi, đặc điểm sinh lý, nhiệt độ và độ ẩm của chuồng nuôi

1.1.5 c phư ng ph p l nư c th i chăn nuôi hiện na v hiệu qu c a c c phư ng ph p

Có nhiều phương pháp xử l nước thải chăn nuôi, có thể phân loại một số phương pháp cơ bản xử l nước thải chăn nuôi theo bảng 1.3 dưới đây:

B ng 1.3 Phân lo i các phư ng pháp xử lý nước th i ch n nuôi

Phư ng ph p Qu tr nh

Vật l Dùng các tác nhân vật lý để tách thành phần rắn ra khỏi

dòng nước thải

Sinh học Dùng các tác nhân sinh học để tách hoặc phân giải,

chuyển hoá các chất ô nhiễm

1.1.5.1 Các phương pháp vật lý xử lý nước thải chăn nuôi

Các phương pháp áp dụng các quá trình vật lý như sàng lọc, tách cơ học, trộn, khuấy, tủa n i, tủa lắng, lọc hay hóa lỏng khí…nhằm loại bớt một phần cặn ra khỏi nước thải chăn nuôi, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học

và sinh học ở phía sau được thực hiện tốt hơn Phương pháp vật lý thường được kết hợp với các phương pháp sinh học hay hóa học để tăng hiệu quả của các quá trình chuyển hóa và tách các chất cặn, chất kết tủa hay sau tuyển n i… 1.1.5.2 Các phương pháp hóa học và hóa lý xử l nước thải chăn nuôi

Là phương pháp dùng các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa làm thay đ i bản chất chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi Các quá trình hóa học có thể áp dung là: trung hòa, sử dụng các chất oxy hóa khử, kết tủa hay tuyển n i hóa học, hấp phụ hóa học, tách bằng màng và khử trùng hóa học…

Xử lý hóa học thường gắn với phương pháp xử lý vật lý hay xử lý sinh học

Phương pháp xử lý hóa thường hạn chế sử dụng trong thực tế do có một số bất lợi:

- Việc sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý có thể tạo ra các ô nhiễm thứ cấp, đặc biệt là trong thành phần bùn thải sau xử lý, gây nên tốn kém phát sinh của hậu xử lý nước thải

- Giá thành xử lý cao do chi phí về hóa chất, năng lượng, thiết bị của

hệ thống phức tạp hay bị hỏng hóc, khó vận hành, bảo trì hệ thống và tiêu tốn nhiều năng lượng

Trong nước thải chăn nuôi thường chứa nhiều thành phần hòa tan hay các hạt có kích thước nhỏ, không thể tách khỏi dòng nước thải bằng phương pháp vật lý Cho nên để tách các chất này ra khỏi nguồn nước người ta thường sử dụng các tác nhân tạo keo tụ như phèn sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tụ, polymer hữu cơ… để tăng tính tủa, lắng hay tuyển n i của các hạt rắn và keo trong hỗn hợp phân lỏng và cuối cùng tách chúng ra khỏi dòng thải

Ngoài ra ở một s ố cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nước thải đòi hỏi mức độ sạch sinh học cao, người ta còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo

để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Phương pháp này thường gặp nhất là diệt trùng nước thải sau xử lý sinh học trước khi xả ra nguồn tiếp nhận Có thể dùng khí clo hoặc các dẫn xuất của chúng như canxihydrocloride, clorua vôi, cloramine để khử trùng nước thải Khi vào nước, clo kết hợp với nước tạo ra acid HOCl là chất có tính oxy hóa mạnh, có tác dụng diệt khuẩn và khử mùi Khi tính toán lượng Cl khử trùng trong các chế phẩm của nó, người ta tính clo hoạt tính theo phầm trăm (%) hoặc ppm lượng Cl hoạt tính cho vào nước thải

1.1.5.3 Các phương pháp sinh học xử l nước thải chăn nuôi

Đây là nhóm phương pháp thường được sử dụng rộng rãi hơn so với các phương pháp khác trong xứ lý nước thải chăn nuôi do nước thải chăn nuôi giàu thành phần hữu cơ, cho nên dễ áp dụng phương pháp xử lý sinh học Phương pháp sinh học xử lý nước thải chăn nuôi là các phương pháp dùng các

tác nhân sinh học như tảo, vi khuẩn, nấm, nguyên sinh động vật, thực vật s ống tron g nước hay các động vật như cá, nhuyễn thể… để phân hủy, chuyển hóa

và chuyển dạng các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi Trong các hệ thống xử lý sinh học, hệ sinh vật khai thác năng lượng từ các chất thải để duy trì hoạt động sống và tăng trưởng nhờ hệ thống enzyme sinh học Dựa vào khả năng này của vi sinh vật, người ta sử dụng vi sinh vật nhằm chuyển hóa các chất thải sinh học (biowastes) thường là các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi sang dạng không ô nhiễm hay loại bỏ chúng ra khỏi dòng thải Các quá trình phân giải dị hóa của vi sinh vật, tảo, nấm men và nấm là những con đường chính cho toàn bộ hay ít nhất là một phần của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ phân, nước tiểu hay xác động vật

- Mục tiêu của xử lý sinh học nước thải là loại bỏ các chất ô nhiễm bởi quá trình chuyển hóa và t ng hợp sinh khối trong các tác nhân sinh học Quá trình phân giải các chất hữu cơ tạo thành các chất đơn giản như CH4, CO2,

H2O, NH3, khí NOx… và cuối cùng chúng sẽ bị loại bỏ khỏi dòng nước thải bằng quá trình lắng bùn, chuyển thành dạng bền vững không độc của các hợp chất hữu cơ và vô cơ hòa tan và loại bỏ các chất dinh dưỡng (N, P) trong nước thải

- Ưu điểm của các phương pháp sinh học là phương pháp rẻ tiền, an toàn cho môi trường so với phương pháp hóa học Ngoài lợi ích về môi trường, phương pháp xử lý sinh học còn có khả năng tạo các sản phẩm phụ có giá trị kinh tề như khí sinh học (biogas), phân vi sinh hay nhiều sản phẩm khác…

- Tuy nhiên phương pháp xử lý sinh học thường phụ thuộc vào một số các yếu tố môi trường như thời tiết, nhiệt độ, thời gian xử lý khá lâu, đòi hỏi mặt bằng rộng và có thể tạo mùi hay các khí nếu không che phủ kín và quản lý tốt chúng có thể phát tán vào môi trường

Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững là mục tiêu của các quốc gia trên thế giới hướng tới Xử l nước thải bằng phương pháp sinh học đem lại hiệu quả cao, có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác Một trong những

phương pháp xử l nước thải bằng phương sinh học sử dụng vi tảo đã được thực hiện ở nhiều nước và ở Việt Nam Các công trình xử l nước thải chăn nuôi bằng

vi tảo đã và đang được nghiên cứu, mở rộng quy mô để đạt được hiệu quả tối ưu Bên cạnh việc xử l nước thải sinh khối tảo thu được có thể sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, năng lượng sinh khối, … Vì vậy, sử dụng vi tảo để xử l nước thải chăn nuôi là một hướng đi có tiềm năng với nhiều ưu điểm và ứng dụng trong thực tiễn

1.2 Tổng quan về t o

1 i i thiệu chung v t o

Tảo là thuật ngữ chỉ nhóm thực vật bậc thấp chứa diệp lục có khả năng quang

t ng hợp các chất hữu cơ từ CO2, nước và các chất dinh dưỡng vô cơ Chúng có khả năng quang tự dưỡng sử dụng năng lượng mặt trời chuyển những chất vô cơ thành dạng đường đơn giản

Tảo là sinh vật sản xuất, là mắt xích đầu tiên trong chỗi thức ăn Tảo sống ở nước mặn, nước ngọt và cả nước lợ Tảo rất phong phú về loài và đa dạng về cấu trúc Dựa vào màu sắc có thể phân loại tảo thành: tảo lam, tảo hồng, tảo lục và tảo kim

Cấu tạo tế bào tảo gồm: thành tế bào, tế bào chất, nhân, điểm mắt, tiêm mao

Tảo có 3 hình thức sinh sản: sinh sản dinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính Các yếu tố ảnh hưởng đến trao đ i chất và sinh trưởng của tảo là: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, cơ chất, pH, khả năng sục khí CO2,…

1.2.2 c i m sinh học c a t o Chlorella

1.2.2.1 Đặc điểm và phân loại

Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta

Chlorella có dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10 μm và không có tiêm mao[5].Chlorella có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll -a và b trong lục lạp Thông qua quang hợp nó phát triển nhanh chóng chỉ cần lượng khí carbon dioxide, nước, ánh sáng mặt trời, và một lượng nhỏ các khoáng chất để tái

sản xuất

Chlorella là dạng sống đầu tiên có nhân thật được phát hiện cách đây 2,5 tỷ

năm Chlorella là loài vi tảo sống trong cả môi trường nước mặn và nước ngọt Có 1

số loài Cholorella tạp dưỡng có thể sử dụng cả nguồn cacbon vô cơ (CO2) và

cacbon hữu cơ để t ng hợp sinh khối, ví dụ như Chlorella pyrenoidosa trong

nghiên cứu của Wang[25]

Hiện nay số lượng các loài trong chi là khoảng 76 loài trong cơ sở dữ liệu, có

29 loài đã chứng nhận về mặt phân loại Một số loài Chlorella n i bật như:

Chlorella vulgaris, Chlorella kesleri, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella luteoviridis, Chlorella saccharophila, Chlorella protothecoides, Chlorella ellipsoidea, Chlorella mucosa, Chlorella homosphaera,…

1.2.2.2 Hình thái, cấu trúc

Hình 1.1 T o Chlorella vulgaris[5]

Chlorella là sinh vật đơn bào Tế bào thường có hình dạng: tròn, elip, ovan

Đường kính của tảo là: 2 – 10 µm, các loài tảo khác nhau sẽ có đường kính tế bào khác nhau, nhưng không vượt quá 15 µm Đường kính tế bào của tảo phụ thuộc vào điều kiện sinh trưởng và giai đoạn phát triển của tảo

Cấu trúc tế bào bao gồm: Thành tế bào, tế bào chất, lục lạp và nhân vì vậy cấu tạo và sinh l của tảo chứa đặc điểm tế bào Ngoài các thành phần dinh dưỡng như: protein, lipid, glucid, vitamin, tảo còn chứ chất diệp lục Chất diệp lục đóng vai trò

t ng hợp các chất hữu cơ cần thiết Chlorella không có cơ quan hô hấp độc lập,

lượng oxy cần thiết thấm qua toàn bộ bề mặt của màng vào trong tế bào

 Thành tế bào:

Chiều dày của thành tế bào khoảng 10-2 µm Ở các giai đoạn tăng trưởng khác nhau chiều dày khác nhau Chúng có chức năng bảo vệ và chống đỡ các điều kiện bên ngoài

 Tế bào chất:

Là những chất nhầy trong suốt dạng hạt không màu và chứa đầy trong thành

tế bào Tế bào chất là thành phần chính của tế bào tảo Trong tế bào chất chứa nhân, lục lạp, ti thể, riboxom…Thành phần dinh dưỡng trong tế bào chất có các chất hữu

cơ như: lipid, hydratcacbon, vitamin và một số chất vô cơ

Có chức năng thực hiện quá trình quang hợp Trong tảo Chlorella chứa lục

lạp có sắc tố màu lục.Màng lục lạp dày 100 – 150 Amstrong và có 2 lớp Lục lạp được bao ngoài bởi lớp màng mỏng kép, bên trong chứa dịch protein Cấu trúc của

lục lạp đóng vai trò cần thiết để t ng hợp protein, là nơi chứa diệp lục của tảo Chlorella

Tế bào tảo Chlorella có duy nhất 1 nhân, có đường kính từ: 1 – 3 µm, chiều

dày màng nhân khoảng 300 – 400 Amstrong

1.2.2.3 Sinh sản

Chlorella có 3 phương pháp sinh sản: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và

sinh sản hữu tính Sự phân bào diễn ra trong vòng 20 – 24h chia thành 4 tế bào nếu đầy đủ dinh dưỡng và điều kiện cần thiết, làm cho nước có màu xanh lục[6]

1.2.2.4 Quá trình phát triển của tảo Chlorella vulgaris

Hình 1.2 Các giai đo n phát triển đặc trưng của t o[3]

Với chế độ dinh dưỡng thích hợp và điều kiện l học thuận lợi quá trình sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau:

Pha thích nghi: Khi nuôi cấy tế bào giống vào môi trường nuôi thì tảo chưa

kịp thích ứng với môi trường tạo sự giảm trao đ i chất của tảo giống, tế bào gia

tăng kích thước nhưng chưa có sự phân chia

Pha tăng trưởng: Lúc đó tế bào hấp thụ mạnh các chất dinh dưỡng nên tế

bào phân chia rất nhanh và liên tục, tùy thuộc vào kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ, hàm lượng các chất dinh dưỡng…

Pha tăng trưởng chậm: sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đ i một

yếu tố nào đó (hàm lượng các chất dinh dưỡng, ánh sáng, sự gia tăng các chất kìm hãm

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

nhân tố giới hạn

Pha suy vong: do dinh dưỡng cạn kiệt, tảo bị chết do không đủ chất dinh

dưỡng

1.2.2.5 Thành phần hóa học có trong tảo

Tảo có thể phát triển tốt trong điều kiện môi trường nước có hàm lượng

nitrat và photphat cao Thành phần hóa học của tảo Chlorella tùy thuộc vào tốc

độ sử dụng dinh dưỡng trong quá trình phát triển Thành phần hóa học chứa

trong tảo Chlorella vulgaris được trình bày trong bảng 1.4

B ng 1.4 Thành phần hóa học chứa trong t o Chlorella vulgaris [21] Thành phần Hàm lượng Thành phần Hàm lượng

Chlorella vulgaris rất giàu protein, vitamin và các khoáng chất Các protein của

loài tảo này có chứa tất cả các amino acid cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của

người và động vật Chlorella vulgaris rất nhiều vitamin như: vitamin C, tiền

vitamin A (β caroten), riboflavin (B2), pyridoxine (B6), niacin (vitamin PP), axit panthothenic (vitamin B3), axit folic (vitamin B9), vitamin B12, biotin (vitamin H),

cholin, vitamin K, axit lipoic và inositol Ngoài ra tảo Chlorella vulgaris còn chứa

một số khoáng chất như: photpho, canxi, kẽm, iod, magie, sắt và đồng

1.2.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo[4]

trưởng của tảo tăng cùng với việc tăng cường độ ánh sáng, nhưng tảo sẽ bị ức chế sinh trưởng bởi cường độ ánh sáng cao Mỗi loài tảo khác nhau lại có khoảng giới hạn ánh sáng tối ưu khác nhau do đặc tính sinh l của chúng Vì vậy, việc nghiên cứu để tìm ra khoảng cường độ ánh sáng tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của mỗi loài tảo là vô cùng cần thiết

b) Thời gian nuôi trồng tảo

Phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu khác nhau mà thời gian nuôi trồng là khác nhau Thông thường, quyết định thời gian nuôi ngừng khi tảo đạt giai đoạn tĩnh, tốc

độ tăng trưởng giảm hay tốc độ xử l nước thải giảm Và tùy theo chu kỳ sống của tảo để có thời gian nuôi thích hợp

c) Sục khí

Sục khí trong quá trình nuôi tảo có tác dụng: giúp ngăn ngừa hiện tượng phân tầng nhiệt độ trong dịch nuôi, giúp tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng, ngăn ngừa tảo lắng xuống bể, cải thiện trao đ i khí giữa môi trường nuôi và không khí, quan trọng hơn là cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp Việc b sung CO2 có tác dụng giúp n định pH do cân bằng giữa CO2 và H2CO3

Mục đích của sục khí cho dung dịch tảo là:

- Giúp cân bằng dinh dưỡng để nuôi tảo, tạo sự tiếp xúc tảo với chất dinh dưỡng

- Giúp tế bào tảo được chiếu sáng đều Nếu ánh sáng quá mạnh hoặc quá lâu trên bề mặt tảo, sẽ gây t n thương cho tảo

- Tăng hiệu suất sử dụng ánh sáng do tảo ở lớp dưới được trộn đều lên trên bề mặt tiếp xúc ánh sáng

- Phòng ngừa hiện tượng yếm khí trong bể nuôi

Tuy nhiên nếu sục khí quá mạnh sẽ làm giảm sự hấp thụ ánh sáng của tảo, làm giảm sự tăng trưởng của tảo, có thể bị va đập mạnh và dễ bị vỡ

d) nh hưởng của các chất dinh dưỡng

Các loài tảo khác nhau sẽ có nhu cầu dinh dưỡng khác nhau Do vậy tùy thuộc vào việc chọn giống tảo sẽ xác định nguồn dinh dưỡng cho loài đó.Việc xác

định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó là vô cùng khó khăn Vì môi trường dinh dưỡng tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ tảo, ánh sáng và pH môi trường Các chất dinh dưỡng bao gồm nguyên tố đa lượng bao gồm: nitrat, phosphat…Các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của tảo là như: Fe, Mn, Cu, Zn và Cl…

Nitơ là thành phần quan trọng của các hợp chất hữu cơ trong cơ thể tự dưỡng Là thành phần tạo nên cấu trúc đại phân tử Protein ADN, ARN, các phân tử

chlorophyll và các enzym Tảo Chlorella sử dụng một số hợp chất chứa Nitơ là:

NO3-, NO2-, NH4+, ure, glycerol, natri hydrocacbonat Đối với Chlorella vulgaris

nguồn nitơ sử dụng là muối amonium, nitrate và urea trong đó amonium cho kết quả tốt nhất [22] Trong môi trường sống nếu thiếu hoàn toàn nguồn dinh dưỡng

Nitơ dài ngày sẽ không làm Chlorella vulgaris chết Khi đó nó sẽ chuyển sang dạng

sống tiềm sinh Các quá trình sinh trưởng, quang hợp, hô hấp sẽ phục hồi lại nếu cấp đủ lượng Nitơ cần thiết

Photpho là yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của tảo Chlorella vulgaris Trong quá trình chuyển hóa năng lượng và t ng hợp nucleic, thì photpho giữ một vai trò rất quan trọng Tảo Chlorella vulgaris sử dụng photpho ở dạng vô

cơ là: H2PO4-, HPO42- Nếu thiếu photpho trong môi trường nuôi sẽ làm giảm quá trình sinh trưởng, phân chia tế bào, làm hình thái, kích thước tảo thay đ i

1.2 3 Ứng dụng v kh năng l nư c th i c a t o tr n th gi i v ở Việt Nam

1.2.3.1 Ứng dụng của vi tảo[16]

Với nhiều ưu điểm vượt trội vi tảo được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y tế, nông nghiệp, mỹ phẩm, hóa chất, năng lượng, … Đặc biệt, vi tảo được sử dụng trong lĩnh vực môi trường để xử l nước thải

1.2.3.2 Khả năng sử dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử l nước thải[12]

Thành phần N và P trong nước thải chăn nuôi có hàm lượng rất cao Do vậy loại bỏ N và P trong nước thải là một yêu cầu quan trọng trong công nghệ xử lý

nước thải bằng phương pháp sinh học Các công nghệ xử l nước thải truyền thống việc loại bỏ N và P gặp nhiều khó khăn Ở đó P được kết tủa lắng bằng hóa chất hoặc chuyển vào bùn hoạt tính dư nhờ các vi sinh vật tích lũy P, tiếp sau đó P được đưa vào bãi chôn lấp chất thải rắn hoặc tái chế thành phân bón Các chi phí để loại

bỏ P trong nước thải rất cao Theo Lam and Lee [12] đối với những nhà máy xử lý nước thải phải loại bỏ N và P ở xử lý bậc 2 hoặc bậc 3 sẽ tiêu tốn thêm 60 – 80% năng lượng

Ứng dụng khả năng của vi tảo sinh trưởng tốt trong nước thải giàu N, P và chất hữu để xử l nước thải đang là một giải pháp xử l nước thải hiệu quả với chi phí thấp và phù hợp ở những nước có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới [9, 10, 12,

14, 17-19]

Tảo Chlorella vulgaris đã được ứng dụng cho xử l nước thải chăn nuôi bò

sữa qua phân hủy kỵ khí và đã được pha loãng với nhiều nồng độ khác nhau [13, 24], kết quả xử l thể hiện ở bảng sau:

B ng 1.5 Hiệu suất xử lý nước th i bò sữa ở các mức pha loãng khác nhau[8]

Số lần

pha loãng

Hiệu suất

xử lý COD (%)

Hiệu suất

xử lý N-NH3 (%)

Hiệu suất

xử lý PO4(%)

3-Hiệu suất

xử lý t ng N (%)

suất xử l đạt 77,6 % Còn COD thì hiệu suất xử l kém hơn, cao nhất là 38,4%

Nước thải chăn nuôi lợn (phân và nước tiểu) là đối tượng thường được xử lý bằng quá trình lên men yếm khí để xử lý thành phần hữu cơ và mùi, tiêu diệt mầm bệnh, và thu hồi được năng lượng ở dạng khí methane (biogas).Kết hợp “quá trình

xử lý” và “quá trình sản xuất” thì thấy rằng nước thải chăn nuôi lợn có đặc điểm

nồng độ chất hữu cơ cao giàu dưỡng chất N, P nên rất thích hợp cho sản xuất sinh khối vi tảo với chi phí thấp[24] Theo Kumar [12] nghiên cứu nuôi trồng tảo

Chlorella vulgaris trong nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý bằng quá trình lên men

yếm khí với t ng N-NH3 ban đầu 20 mg/l thấy sau 10 ngày hiệu suất xử lý t ng

N-NH3 bằng 61,8%[11]

Qua một số kết quả nghiên cứu ở trên, ta thấy hiệu quả xử lý tảo Chlorella trong nước thải chăn nuôi lợn sau quá trình lên men yếm khí tương đối cao Nước thải chăn nuôi lợn phù hợp cho Chlorella vulgaris làm môi trường sinh trưởng và

phát triển và xử lý thành phần N, P có trong thành phần dinh dưỡng Vì vậy việc

nghiên cứu và ứng dụng nuôi trồng tảo Chlorella vulgaris và xử l nước thải chăn

nuôi lợn sau quá trình lên men yếm khí mang tính khả thi và có nghĩa thực tiễn cao

1.2.4 Hệ thống nuôi trồng vi t o v c c u tố nh hưởng n hệ thống

1.2.4.1 Các hệ thống nuôi trồng vi tảo[11, 12]

Hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam, hệ thống nuôi trồng vi tảo thường được phân loại thành bể hở (open pond) và hệ nuôi kín là dạng thiết bị phản ứng quang sinh học (PBR) Theo Christenson and Sims[9] mô tả sự đa dạng của hệ thống nuôi trồng để xử l nước thải và thu hoạch sinh khối vi tảo với nhiều quy mô được áp dụng ở một số công ty trên thế giới Để đạt được hiệu quả xử l nước thải, thu sinh khối cao và chi phí thấp, cần so sánh được các ưu nhược điểm của bể hở và thiết bị phản ứng quang sinh học

a, Bể hở (open pond)

Bể hở thường ít tốn kém trong xây dựng, hệ thống bền vững và dễ dàng vận hành Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, diện tích mà người ta sẽ xây dựng theo hình

dạng, kích thước khác nhau Các loại bể hở có một số dạng: bể raceway(a,b), bể tròn(c) và bể dốc(d) thể hiện hình 1.3

Bể hở có năng suất thấp, dễ nhiễm chủng vi tảo không mong muốn hay

vi sinh vật khác, khuấy trộn kém, tảo tiếp xúc với ánh sáng không đều, hiệu suất sử dụng CO2 thấp và mất nước do bay hơi cao

Hình 1.3 Các d ng bể hở: raceway (a,b), bể tròn (c), bể dốc (d)

b, Thiết bị phản ứng quang sinh học (photobioreactor-PBR)

Thiết bị phản ứng quang sinh học (photobioreactor-PBR) có cấu trúc kín và có thể kiểm soát, điều chỉnh khá tốt các điều kiện môi trường(ánh sáng, pH, nhiệt độ), tiết kiệm diện tích, ít ô nhiễm, sục khí dễ dàng và lượng nước bay hơi ít Do vậy cho phép nuôi trồng vi tảo với mật độ cao trong thời gian dài Hình dạng của PBR gồm 2 dạng ống và tấm (Hình 1.4 )

PBR có năng suất khá cao Nhưng PBR có nhược điểm tồn tại gradient oxy,

pH và CO2 theo chiều dài ống hay tấm, quá nhiệt, tắc nghẽn sinh học, ứng suất thủy động, chi phí bảo trì và giá thành vật liệu chế tạo cao

1.2.4.2 Phương thức nuôi trồng vi tảo

Tùy theo mục đích nghiên cứu, nuôi trồng và cách thức trao đ i chất của vi tảo có 3 phương thức chính [12, 15] đó là: tự dưỡng quang năng, dị dưỡng và tạp dưỡng

Nuôi trồng tảo theo phương thức tự dưỡng quang năng ở ngoài trời tiết kiệm được nhiều chi phí vì có thể sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời vô tận Nuôi trồng vi tảo theo phương thức dị dưỡng cho phép đạt được năng suất sinh khối

và năng suất lipid khá cao nhưng tùy thuộc vào loài tảo Theo Wang et al [25] nuôi

trồng vi tảo theo phương thức tạp dưỡng là có ý nhiều ưu điểm nhất vì vi tảo vừa đồng hóa được CO2 và chất hữu cơ, mật độ tế bào và năng suất cao, ánh sáng có thể kiểm soát được

Qua một số kết quả nghiên cứu ở trên, ta thấy hiệu quả xử lý của tảo Chlorella trong nước thải chăn nuôi tương đối cao, nước thải chăn nuôi rất thích hợp cho Chlorella vulgaris làm môi trường sinh trưởng và phát triển, kết hợp với xử l nước

thải có hàm lượng N, P cao, thu hồi sinh khối Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng

nuôi trồng tảo Chlorella vulgaris và xử lý N, P trong nước thải chăn nuôi lợn sau

hầm biogas sẽ được nghiên cứu trong luận văn này

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Điều kiện nuôi cấy và giữ giống trong phòng thí nghiệm

Nguồn gốc t o

Giống tảo được dùng trong nghiên cứu là tảo Chlorella vulgaris B5 được

cung cấp từ kết quả đề tài nghiên cứu khoa học của TS Đoàn Thị Thái Yên, có nguồn gốc từ phân lập từ nước ao lấy từ trang trại chăn nuôi lợn tại C Đông, Sơn Tây, Hà Nội

2.1.2 Phư ng ph p nuôi cấ

Tảo giống được nhân và nuôi cấy trong bình tam giác 250ml Bình tam giác được rửa sạch và rửa trong bể siêu âm trong 3 phút, sau đó đem khử trùng bằng nồi hấp thanh trùng HV50 ở 1210C trong vòng 20 phút Nhân giống trong tủ hút vô trùng (biohood) để tránh bị tạp nhiễm Trước khi nhân giống, tủ hút vô trùng được phun cồn 700 Cho dụng cụ nhân giống vừa được khử trùng ở trên vào tủ, bật đèn UV khoảng 15 phút rồi tiến hành nhân giống Lấy 50 ml vi tảo giống (mật độ từ 2 đến 3 triệu tế bào/ml) nuôi cấy trong bình tam giác 250mL chứa 100mL môi trường chuẩn BG-11 đã thanh trùng ở 121oC trong 20 phút Thành phần môi trường chuẩn BG-11 (được mô tả như trong bảng 2.1) thích hợp với nhiều chủng vi tảo nước ngọt