mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử lý nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo chlorella vulgaris

Ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60.44.03.01 Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống xử lý nước thải HRAPs quy

TRẦN MINH HOÀNG

MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU DINH DƯỠNG BẰNG TẢO

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Thủy Nguyên

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ của tôi có sử dụng và kế thừa số liệu của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Học viện với tên đề tài “Xây dựng mô hình xử lý nước thải giàu dinh dưỡng

Nitơ và photpho từ bể phốt sử dụng vi tảo Chlorella vulgaris”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tay tôi tiến hành cùng với

sự giúp đỡ của Bộ môn Công nghệ Môi trường (Học viện Nông nghiệp Việt Nam), các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Trần Minh Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc TS Đỗ Thủy Nguyên đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian

và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trịnh Quang Huy, cô ThS.Nguyễn Thị Thu

Hà, tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Bộ môn Công nghệ Môi trường và các bạn sinh viên khóa 56, 57 nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bộ môn đã giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Trần Minh Hoàng

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ viết tắt v

Danh mục bảng vi

Danh mục hình vii

Trích yếu luận văn viii

Thesis abstract x

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

Phần 2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 3

2.1 Đặc tính sinh học và ứng dụng của tảo trong xử lý nước thải 3

2.1.1 Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris 3

2.1.2 Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải 6

2.2 Ứng dụng công nghệ hraps trong xử lý nước thải 16

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống hraps 19

2.3.1 Các thông số kỹ thuật vận hành 19

2.3.2 Các thông số môi trường và dinh dưỡng 21

2.4 Mô hình sinh thái và các dạng mô hình lý thuyết cho đối tượng tảo 24

2.4.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình sinh thái và ứng dụng của nó 24

2.4.2 Tổng hợp mô hình lý thuyết mô phỏng sự phát triển của tảo 25

Phần 3 Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu 29

3.1 Đối tượng nghiên cứu 29

3.2 Phạm vi nghiên cứu 29

3.3 Nội dung nghiên cứu 29

3.4 Phương pháp nghiên cứu 30

3.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 30

3.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình 30

3.4.3 Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm 30

3.4.4 Phương pháp thiết kế và vận hành hệ thống HRAPs 34

3.4.5 Phương pháp phân tích 34

3.4.6 Phương pháp đánh giá kết quả 36

3.4.7 Phương pháp kiểm định 36

3.4.8 Phương pháp xác định độ nhạy của thông số 36

3.4.9 Phương pháp xử lý số liệu và trình bày kết quả 36

Phần 4 Kết quả và thảo luận 37

4.1 Đánh giá khả năng sinh trưởng, hiệu quả xử lý nước thải và các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của vi tảo chlorella vulgaris 37

4.1.1 Khả năng sinh trưởng và khả năng xử lý N,P của vi tảo Chlorella vulgaris trong nước thải 37

4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sInh trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong hệ thống bIorector 41

4.2 Thiết kế và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng vi tảo chlorella vulgaris trong hệ thống mô hình xử lý quy mô pilot ngoài trời 44

4.2.1 Hiệu quả xử lý của hệ thống HRAPs trong điều kiện ngoài trời 44

4.2.2 Hiệu quả xử lý của hệ thống HRAPs trong điều kiện ánh sáng nhân tạo 47

4.3 Ứng dụng mô hình toán mô phỏng khả năng xử lý của hệ thống Hraps 50

4.3.1 Lựa chọn và xây dựng mô hình 50

4.3.2 Ứng dụng Matlab trong việc xây dựng mô hình về sự phát triển của tảo trong môi trường 57

4.3.3 Kết quả mô phỏng và kết quả kiểm chứng mô hình toán 63

Phần 5: Kết luận và kiến nghị 68

5.1 Kết luận 68

5.2 Kiến nghị 68

Tài liệu tham khảo 70

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt

ANOVA : Phân tích phương sai

BOD : Nhu cầu Oxy sinh học

BTNMT : Bộ tài nguyên môi trường

HRAPs : Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao

(High rate algal ponds)

RO : công nghệ lọc thẩm thấu ngược TCCP : Tiêu chuẩn cho phép

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tảo Chlorella (% trọng lượng khô) 4

Bảng 2.2 Tổng hợp khả năng loại bỏ N,P của tảo trong các môi trường khác nhau 12

Bảng 3.1 Thành phần môi trường nhân tạo BBM 31

Bảng 3.2 Tính chất nước sử dụng trong thí nghiệm 1 32

Bảng 4.1 Tính chất nước thải nghiên cứu 39

Bảng 4.2 Hiệu quả xử lý dinh dưỡng trong nước thải bằng tảo C.vulgaris 41

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ dinh dưỡng N:P trong nước thải đến sinh trưởng của tảo C.vulgaris 42

Bảng 4.4 Tính chất nước thải đầu vào của thí nghiệm 48

Bảng 4.5 Tổng hợp các mô hình toán mô phỏng khả năng sinh trưởng của tảo trong bể phản ứng sinh học 52

Bảng 4.6 Tính toán giá trị RMSE giữa kết quả chạy mô hình và kết quả đo 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Tảo Chlorella 3

Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng của tảo 5

Hình 2.3 Mô hình hệ thống HRAPs 17

Hình 2.4 Sơ đồ của một hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao 20

Hình 2.5 Sơ đồ mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ thống HRAPs 20

Hình 2.6: Ba loại mô hình của Bechet và cs (2013) 26

Hình 2.7 Mô hình bởi Eilers và Peeters (1988) 28

Hình 4.1 Đường cong sinh trưởng của tảo trong các công thức thí nghiệm 37

Hình 4.2 Diễn biến các thống số dinh dưỡng trong quá trình xử lý nước thải sử dụng tảo 40

Hình 4.3 Mật độ và chlorophyll-a của tảo trong nước thải tại các bước sóng ánh sáng khác nhau 43

Hình 4.4 Diễn biến mật độ tảo và chlorophyll-a trong nước thải dưới ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng khác nhau 44

Hình 4.5: Diễn biến hàm lượng Chlorophyll-a trong thời gian thí nghiệm 45

Hình 4.6: Diễn biến cường độ ánh sáng trong thời gian nghiên cứu 46

Hình 4.7 Diễn biến các thông số dinh dưỡng trong thời gian thí nghiệm ánh sáng tự nhiên 47

Hình 4.8 Diễn biến mật độ tảo trong hệ thống HRAPs có nguồn cung cấp ánh sáng khác nhau 49

Hình 4.9 Diễn biến các thông số dinh dưỡng trong thời gian thí nghiệm ánh sáng nhân tạo 50

Hình 4.10 Mô hình lý thuyết cho quá trình sinh trưởng của tảo 51

Hình 4.11 Kết quả sinh trưởng mô phỏng bằng mô hình 65

Hình 4.12 Diễn biến nồng độ N mô phỏng bằng mô hình 66

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Trần Minh Hoàng

Tên Luận văn: Mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử lý nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo

Chlorella vulgaris

Ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60.44.03.01

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Mục đích nghiên cứu:

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống xử lý nước thải HRAPs quy mô pilot;

- Lựa chọn mô hình toán mô phỏng quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo trong

hệ thống HRAPs và kiểm định độ chính xác của mô hình

Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp;

- Phương pháp xây dựng mô hình;

- Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm;

- Phương pháp thiết kế và vận hành hệ thống HRAPs;

- Phương pháp phân tích;

- Phương pháp đánh giá kết quả;

- Phương pháp kiểm định mô hình;

- Phương pháp phân tích độ nhạy của mô hình;

- Phương pháp xử lý số liệu

Kết quả chính và kết luận:

Mục tiêu của đề tài là ứng dụng mô hình toán nhằm mô phỏng khả năng sinh trưởng của tảo trong hệ thống HRAPs Nghiên cứu bao gồm 2 nội dung chính là thực nghiệm và mô hình hóa Ba thí nghiệm độc lập được tác giả thực hiện nhằm mục đích khảo nghiệm và cung cấp dữ liệu cho việc thiết kế hệ thống HRAPs (thực nghiệm) và các hệ số

cho mô hình toán Kết quả từ thí nghiệm 1 cho thấy tảo C.vulgaris có khả năng sinh trưởng

tốt trong nước thải, không gặp yếu tố ức chế Kết quả thí nghiệm 2 và 3 đã chỉ ra khoảng tỷ

lệ N:P và điều kiện chiếu sáng thích hợp cho sinh trưởng của tảo C.vulgaris Dựa trên các

kết quả khảo nghiệm, hệ thống HRAPs được thiết kế và vận hành trong 2 điều kiện chiếu sáng là ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo (đèn LED), số liệu đo đạc thực nghiệm là

cơ sở để kiểm chứng mô hình toán Mô hình toán được xây dựng thông qua các bước xây dựng mô hình lý thuyết, lựa chọn hàm toán phù hợp và sử dụng thuật toán để giải phương

trình dưới sự hỗ trợ của phần mềm Mathlab Kết quả chạy mô hình đã mô phỏng tương đối chính xác về diễn biến sinh trưởng và khả năng loại bỏ dinh dưỡng N của tảo C.vulgaris trong hệ thống HRAPs Trong điều kiện ánh sáng tự nhiên có cường độ yếu, mô hình đã phản ánh đúng sự hạn chế trong sinh trưởng và loại bỏ N trong nước thải của tảo Ngược lại, trong điều kiện ánh sáng nhân tạo, kết quả mô hình đã đưa ra được đường cong sinh trưởng theo các giai đoạn khớp với kết quả đo thực nghiệm, hiệu quả loại bỏ N cũng được phản ánh tương đối chính xác

THESIS ABSTRACT

Master candidate: Tran Minh Hoang

Thesis title: Modeling treatment system for sewage with eutrophication by Chlorella

vulgaris

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)

- Chemical analysis methodology;

- Data analysis methodology

Main findings and conclusions

The main purpose of this research is to apply the mathematical model to simulate the growing capability/capacity of algae in HRAPs system This research consists of 2 main parts being experiments and modelling 3 independent experiments were carried out with the purpose of testing and providing input data for constructing HRAPs system as well as coefficients for the mathematical model Results from experiment No.1 showed that C.vulgaris can grow well in sewage, without any inhibitors In addition, based on the results of experiments No.2 and No 3, the ratio of N:P and lightning condition that

optimize the growth of C vulgaris were identified Following the results of

the experiments, HRAPs system was designed, constructed and operated in natural and artificial lighting conditions All of the measurements were the cornerstones for testing the efficiency of the mathematical model, which was constructed in the manner of designing theoretical framework, choosing appropriate mathematical formulas, and constructing algorithms in Matlab software Results from the model, to some extent,

exactly simulate the growth developments and capability of eliminating N of C vulgaris in

HRAPs system To be more specific, in the condition of natural lighting with low intensity

of light, model demonstrated the limitation in growth and N eliminating capability of algae On the other hand, in the artificial lighting condition, model also gave the results, in which phases in growth curve matched with the measurements in experiments; besides, efficiency in eliminating N was also shown

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Theo Bộ tài nguyên và Môi trường (2014), trên 80% nước thải sinh hoạt không được xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ thông qua bể tự hoại được đưa vào các đối tượng tiếp nhận (sông, hồ, mương…) hoặc thông qua các hệ thống cống dẫn Chúng

là một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn tới suy giảm chất lượng nước do đưa vào trong nước một lượng lớn chất rắn lơ lửng (TSS), chất hữu cơ, dầu mỡ động thực vật và chất hoạt động bề mặt dẫn tới gây suy giảm oxy hòa tan (DO), tăng dinh dưỡng N và P trong nước, tăng vi sinh vật gây bệnh, và dẫn tới quá trình phú dưỡng nguồn nước

Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) đã được sử dụng từ lâu trong lĩnh vực thực phẩm và thức ăn chăn nuôi và sản xuất nhiên liệu sinh học Gần đây tại một số nước phát triển, công nghệ này đã và đang được sử dụng cho mục đích xử lý nước thải Nguyên lý của công nghệ dựa việc kéo dài pha quang hợp và rút ngắn pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăng sinh khối Việc phát triển sinh khối của tảo đồng nghĩa với việc loại bỏ các thành phần ô nhiễm (Nitơ và Phốtpho) có trong nước thải Nhiều đánh giá cho thấy đây là giải pháp xử lý hiệu quả với chí phí thấp

và phù hợp với nước thải giàu hữu cơ (Erik Gronlund, 2010; Ignacio de Godos, 2009) Tuy nhiên, những nghiên cứu ứng dụng mô hình này trong xử lý nước thải ở nước ta còn nhiều hạn chế

Công trình xử lý nước thải bằng nuôi tảo hiệu suất cao gồm kênh dẫn nước thải được thiết kế theo dạng đường đua (race way) Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý của HRAPs bao gồm: thông số kỹ thuật của bể (tỉ lệ chiều dài/ chiều rộng, độ sâu bể, tốc độ cánh khuấy) – yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hòa trộn và phân tầng ánh sáng; thông số môi trường (pH, nhiệt độ, DO, ánh sáng) và yếu tố dinh dưỡng (nito, photpho, cacbon) – yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của tảo Để đảm bảo quá trình hòa trộn hoàn toàn và phân bố đều về ánh sáng, các thông số kĩ thuật của bể đã được nghiên cứu và đề xuất thành quy trình chuẩn bởi các tác giả H Hadiyanto và Tom Van Gerven (2012) Do vậy để nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thốngcác yếu tố cần quan tâm kiểm soát là thông số môi trường và dinh dưỡng Việc kiểm soát các yếu tố môi trường và dinh dưỡng không đơn giản bởi bản chất phức tạp của quá trình sinh học Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của khoa học máy

tính trong việc giải các bài toán vi phân phức tạp, mô hình toán là một công cụ hữu ích trong việc mô phỏng các quá trình, kiểm tra hiệu suất và chất lượng của các hệ thống xử lý nước thải, tiết kiệm thời gian và chi phí Để hướng tới ứng dụng công nghệ HRAPs để xử lý nước thải đạt hiệu suất cao và phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, cần có những nghiên cứu sâu hơn để kiểm soát tối đa các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng sinh trưởng của tảo như: ánh sáng; dinh dưỡng nito, photpho, cacbon (CO2); quá trình chuyển hóa các dạng của nito; quá trình phân hủy chất hữu cơ …

Do vậy, tôi tiến hành thực hiện đề tài “Mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử lý

nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo Chlorella vulgaris” Kết quả mô phỏng của

mô hình sẽ là thông tin quan trọng để kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng, nâng cao hiệu suất quả của hệ thống HRAPs và hướng tới tự động hóa hệ thống

PHẦN 2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 ĐẶC TÍNH SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA TẢO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1.1 Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris

- Đặc điểm phân loại

(Nguồn: Bold and Wynne, 1978) Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta Chlorella

có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp Chlorophyll -a và Chlorophyll -b trong lục lạp

Vì vậy Chlorella có khả năng quang hợp, lấy Carbon Dioxid, nước và lượng nhỏ chất

khoáng, biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để nó sinh trưởng và phát triển nhanh chóng

- 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 ovan Kích cỡ tế bào từ 2 – 5

µm tùy loài Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng 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)

Hình 2.1 Tảo Chlorella

Các nhà nghiên cứu đã xác minh trong Chlorella vulgaris có chứa rất nhiều chất dinh dưỡng Thành phần hóa học của tảo Chlorella tùy thuộc theo tốc độ sử

dụng môi trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển (Bảng 2.1)

Tế bào tảo Chlorella có chứa 23 amino acid trong đó có các amio acid

không thay thế như lysine, methionine, tryptophan, arginic, leucine…

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tảo Chlorella (% trọng lượng khô)

Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn trong những điều kiện sống tối ưu

như nhiều ánh sáng, nước trong, không khí sạch Quá trình sinh sản nói chung được trải qua các bước: Sinh trưởng - trưởng thành - thành thục - phân chia (Trần Đình

Toại và Châu Văn Minh, 2005) Tảo Chlorella sinh sản rất nhanh, trong ba giờ có

khả năng tăng gấp đôi mật độ và không có sự sinh sản hữu tính Quá trình sinh sản được tiến hành nhờ tạo nên trong cơ thể mẹ các tự bào tử Tùy theo loài tảo và điều kiện môi trường mà số lượng các tự bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trường

hợp tạo ra 64 tự bào tử) Sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách xé màng tế bào mẹ, ra môi trường dinh dưỡng trở thành những tế bào con có khả năng hấp phụ chất dinh dưỡng mạnh, quang hợp và sinh trưởng tăng Những tế bào con mới hình thành sẽ hoàn thành vòng phát triển sau 4-6 tiếng đến giai đoạn chín, có khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995)

- Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo

Tamiya, (1963) trong nghiên cứu về vòng đời của tảo Chlorella đã chia vòng đời của tảo làm 4 giai đoạn:

Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này các 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 bào tử được phóng thích

ra ngoài

Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng của tảo

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

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

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

thước nhưng ko có sự phân chia

Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục tuỳ 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 của

một yếu tố nào đó

Pha quân bình: do cạn kiệt dinh dưỡng, tảo bị suy tàn

2.1.2 Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải

a Các nghiên cứu ứng dụng tảo trong xử lý nước thải

Tảo hay còn gọi là vi tảo, là những sinh vật có cấu trúc đơn bào, kích thước nhỏ, từ vài µm đến khoảng 100µm, sống lơ lửng trong nước và có khả năng chuyển động Tảo được phân thành các nhóm chính: tảo lục (green algae, chlorophyta), tảo mắt (Euglenophyta), tảo vàng ánh (chrysophyta), tảo giáp (pyrrhophyta), tảo lam (blue green algae) (Lê Văn Cát, 2007) Trong những năm gần đây, tảo là mối quan tâm của các nhà khoa học ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xử lý nước thải.Ứng dung tảo, đặc biệt là vi tảo đang trở thành một công nghệ tiềm năng và triển vọng bởi khả năng sử dụng hiệu quả chất dinh dưỡng N, P hòa tan cho sự tăng trưởng, loại bỏ kim loại, chất hữu cơ

Vi tảo có khả năng quang hợp tốt, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hữu ích và sử dụng các chất dinh dưỡng như Nito và Photpho thường gây hiện tượng phú dưỡng để tạo thành sinh khối có ích Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, tảo sử dụng nguồn C, N, P trong nước để tổng hợp sinh khối và

các chất cần thiết cho cơ thể chúng (Kumar et al., 2010), do vậy sự phát triển của

tảo sẽ giúp loại bỏ các chất nhiễm bẩn (dinh dưỡng, chất hữu cơ) trong nước thải Việc sử dụng tảo trong xử lý nước thải đã có lịch sử khoảng 75 năm với hai

dòng chính là Chlorella và Dunaliella.Ý tưởng sơ khai này được phát triển đầu tiên

ở các nước như Úc, Mỹ, Thái Lan, Mexico, nơi đã có những hiểu biết tiên tiến hơn

về sinh học và sinh thái học ở thời điểm bấy giờ, đặc biệt là các nước này có kinh nghiệm về hệ thống nhân nuôi và tận thu sinh khối tảo đảm bảo việc thiết kế, vận hành nuôi tảo hiệu suất cao và sản xuất ra sản phẩm giá trị cao Oswald và Gotass (1957), Palmer (1974) sau đó đã đưa ý tưởng này vào hệ thống xử lý sinh học như

ao ổn định chất thải và được thử nghiệm tại nhiều quốc gia.Từ tiền đề của nghiên cứu trên của 3 tác giả trên, các nghiên cứu ứng dụng của tảo được thảo luận sâu rộng hơn, phát triển thay thế hế thống xử lý thứ cấp hóa học bởi nhiều ưu điểm vượt trội giảm chi chi phí hoạt động và thân thiện hơn với môi trường Hơn nữa, ưu điểm

của hệ thống này không chỉ có khả năng sử dụng N, P cho sự sinh trưởng, mà cònloại bỏ độc chất, kim loại nặng như chì, canxi, thủy ngân, thiếc, asen, brom, quá trình quang hợp của tảo còn sản sinh oxy, tăng pH, loại bỏ coliform

Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo và loại trừ dinh dưỡng không chỉ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố dinh dưỡng hiện có, mà còn phụ thuộc vào các yếu tố phức tạp như pH (Azov and Shelef, 1987), cường độ ánh sáng, nhiệt độ (Talbot and De la Noue, 1993) và các nhân tố sống khác Nhân tố đâù tiên ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng của tảo là cường độ ban đầu, nó được kỳ vọng là càng cao mật độ tảo càng cao, càng tốt cho sinh trưởng, hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng

càng cao (Lau et al., 1995) Tuy nhiên, mật độ tảo cao sẽ dẫn đến hiện tượng tự làm

mờ, tạo nên chất tự ức chế hiệu quả quang hợp (Fogg, 1975; Darley,1982)

Đã có nhiều nghiên cứu thể hiện khả năng xử lý của tảo đối với từng yếu tố ô nhiễm khác nhau:

- Loại bỏ N, P

Hệ thống xử lý nước thải sinh học với tảo loại bỏ dinh dưỡng như Nito, Photpho và cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí được công bố 50 năm trước bới Oswald và Gotaas (1957) Kể từ đó, hàng loạt các khu thí nghiệm và thực nghiệm của quá trình này và hàng loạt các nhà máy xử lý nước thải sử dụng hệ thống này

được xây dựng (Shelef et al., 1980; Oswald, 1988, Shi et al., 2007; Zhu 2008)

Nước thải sau khi được xử lý bằng sinh học kỵ khí và hiếu khí vẫn còn tồn tại nhiều hợp chất hòa tan của dạng N,P như NH4+, NO2-, NO3-, PO43- Hai nguyên

tố này là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng trong sự phát triển của nhiều loại sinh vật Tuy nhiên ảnh hưởng bất lợi của quá trình làm giàu dinh dưỡng trong nước thải tiếp nhận chính là có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, tảo nở hoa, làm bùng phát

sự tăng trưởng của các loại thực vật không mong muốn như tảo, thực vật thủy sinh; đồng thời cản trở sự sống của các sinh vật khác

Sử dụng N,P như một nguồn dinh dưỡng chủ yếu để sinh trưởng, nuôi cấy tảo đưa ra cách tiếp cận hiệu quả về chi phí trong việc loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải (chính là xử lý nước thải) (Evonne and Tang,1997) Vi tảo có khả năng

cao trong loại bỏ dinh dưỡng vô cơ (Talbot and De la Noue, 1993; Blier et al.,

1995) và chúng có thể sinh trưởng trong môi trường nuôi cấy tảo ở bể quang sinh

học (De la Noue et al., 1992) Nghiên cứu của Lau et al (1996) cho thấy khả năng Chlorella vulgaris trong loại bỏ dinh dưỡng là 86% N vô cơ và 70% P vô cơ

Nghiên cứu của Colak and Kaya (1988) báo cáo khả năng loại bỏ N (50.2%) và P (85.7%) trong nước thải công nghiệp và loại bỏ 97.8% trong nước thải đô thị khi sử dụng tảo

Watanabe and Hall (1996) cho thấy rằng dưới điều kiện phù hợp, tảo lam có thể sinh trưởng với tỷ lệ cao hơn thực vât khác, vậy nên hiệu quả xử lý N,P cao hơn

các loài thực vật khác Garbisu et al (1994) đã chứng mình rằng sử dụng tảo lam ưu

nhiệt trong nước thải có nhiều ưu điểm hơn, vì đây là loài phù hợp với nhiệt độ cao

và xử lý nhiệt độ cao (45 độ) sử dụng kết hợp bể quang sinh học Sau khi tảo lam lấy dinh dưỡng trong nguồn thải, nước sạch có thể được chắt lọc và tảo lam có thể

thu hoạch một cách dễ dàng (Talbot et al., 1990; Proulx et al., 1994) Sử dụng tận

thu sinh khối bao gồm cả việc triết tách sắc tố có giá trị thương mại Kết quả các nghiên cứu ứng dụng tảo trong xử lý nước thải của các tác giả nước ngoài được

tổng hợp và trình bày trong Bảng 2.2

- Loại bỏ kim loại nặng từ nước thải

Nước thải đô thi hiện này chứa nồng độ kim loại nặng và độc chất ở mức cao, mặc dù nồng độ kim loại nặng trong hệ thống thoát nước không đạt đến ngưỡng như nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến kim loại nặng nhưng nó cũng gây ra nhiều mối quan tâm đối với xã hội Từ đó, hệ thống xử

lý nước thải được cải tiến, giúp loại bỏ độc chất trong nước thải

Vi tảo đã sớm được biết tới để xử lý kim loại nặng (Rai et al., 1981) thông

qua hấp thu kim loại nặng như một kiểu tích lũy sinh học Nhiều tác giả đã kết luận rằng việc dùng tảo tách kim loại trong nước thải, là biện pháp kinh tế để loại bỏ kim

loại khỏi nước thải, làm tăng chất lượng nước thải có thể tái sử dụng (Filip et al., 1979; Shaaban et al., 2004; Kiran et al., 2007; Nasreen et al., 2008; Bhat et al., 2008; Pandi et al., 2009) Một ưu điểm khác của tảo chính là khả năng sinh trưởng

trong điều kiện ít dinh dưỡng và điều kiện duy trì

Nhiều loại tảo có khả năng thu hồi được lượng đáng kể các ion kim loại nặng Quá trình loại bỏ kim loại xảy ra bởi nhiều cơ chế khác nhau Điều này có thể phụ thuộc vào tảo, loại ion kim loại, điều kiện dung dịch và loại tế bào tảo

Gale (1986) chỉ ra rằng vi tảo quang hợp có vai trò hiệu quả trong khử kim loại trong nước Bằng việc sử dụng tảo lam trong hệ thống hồ nhân tạo, 99% kim loại hòa tan và dạng hạt được loại bỏ Soeder và cs 1978 chứng minh rằng

Coelastrum proboscideum hấp thụ 100% chì từ 1 ppm ở 20h ở 23 độ C và khoảng

90% sau 1.5 h ở 30 độ

Cadmium được hấp thụ ít hiệu quả hơn, khoảng 60% Cadmium được hấp thụ

từ dung dịch 40ppm sau 24h Mc Hardy và George (1990) như Vymazal (1984)

nghiên cứu Cladophora glomerata trong kênh nước ngọt nhân tạo và tìm thấy, tảo

là nơi tích tụcủa kẽm, Cu2+, Pb2+, Cr3+ cũng như Ni2+, Cd2+, Co2+, Fe2+ và Mn2+

(Chen et al., 2008 )

Tảo phát hiện hấp thụ và tích tụ Cd2+ nhiều hơn khoảng 100 lần khi so sánh

nồng độ với môi trường xung quanh (Reiniger, 1977; Liu et al., 2009) Tảo cũng

tích lũy hiệu quả những hợp chất như Clo hữu cơ và tributyl (Payer and Runkel, 1978; Wright and Weber, 1991) Lee(1989); Wu and Kosaric(1991) chỉ ra rằng tảo còn có khả năng phá hủy một số hợp chất khác

Baeza- Squiban et al (1990) và Schimdt (1991) cho thấy tảo lục Dunaliella bioculata có khả năng làm giảm lượng thuốc trừ sâu Delta-methrin Tảo cũng có

khả năng làm giảm lượng lớn hợp chất hydro cacbon trong nước thải dầu mỡ

(Cerniglia et al., 1980; Carpenter et al., 1989)

- Loại bỏ coliform

Moawad (1986) quan sát rằng các nhân tố môi trường phù hợp cho sự sinh trưởng của tảo lại không phù hợp với sự phát triển của coliform Các sinh vật được

quan tâm trong nước thải bao gồm các vi khuẩn như Salmonella và Shigella và

động vật nguyên sinh Vi khuẩn chiếm lượng lớn trong tổng số vi sinh vật được xử

lý bằng con đường sinh học với số lượng khoảng 106 vi khuẩn/ml trong nước thải thông thường Nhiều nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng vi khuẩn gây bệnh thì có thời gian sống trong môi trường ngắn hơn coliform, trong đó virus thì sống dài hơn

Hiệu quả của việc khử trùng nước thải được ước tính bằng việc loại bỏ tổng coliform Trên khía cạnh này, ao ổn định chất thải và ao ổn định chất thải hiệu suất cao là hai hệ thống có sự góp mặt của tảo, được biết tới là hiệu quả hơn so với hệ

thống xử lý thông thường (Parhad and Rao, 1976; Shelef et al., 1977)

Theo như báo cáo của Malina và Yousef năm 1964, tổng loại bỏ coliform được ghi nhận tại ao ổn định chất thải giảm khoảng 88.8% trong 11.4 ngày.; tương

tự Meron et al (1965) chỉ ra hiệu quả giảm khoảng 99.6% Trong ao hiệu suất cao, Shelef et al (1977) báo cáo hiệu quả loại bỏ khoảng 99% tổng coliform Nghiên

cứu tương tự với hiệu quả loại bỏ coliform và Salmonella được tiến hành bởi Pichai

Govindan (1980) và Colak and Kaya (1988)

- Loại bỏ COD và BOD

Như đã đề cập trước đây, ô nhiễm nước thải từ ba nguồn chính: chất hữu cơ,

vô cơ, vi sinh vật Hợp chất hữu cơ trong nước thải dưới dạng nhiều hợp chất, với công thức hóa học có ít nhất có một nguyên tử Cacbon Những nguyên tử Cacbon bị oxy hóa bằng cả sinh học và hóa học để giải phóng CO2 Nếu oxy hóa bằng con đường sinh học, điều này được kiểm tra bằng thông số BOD, trong khi đó oxy hóa bằng con đường hóa học sẽ được kiểm tra bằng thông số COD Trong những nghiên cứu khác, BOD nghiên cứu khả năng oxy hóa các vật chất hữu cơ thành CO2 của các loại vi sinh vật và nước sử dụng phân tử Oxy như một tác nhân oxy hóa Do đó, BOD là thước đo nhu cầu hô hấp của vi khuẩn, trao đổi chất với chất hữu cơ trong nước thải Dư thừa BOD có thể làm giảm oxy hòa tan trong nước thải dẫn đến cái chết của cá và tạo môi trường kỵ khí, do đó loại bỏ nó là mục tiêu đầu tiên cho xử lý nước thải Colak và Kaya (1998) khám phá ra khả năng xử lý nước thải sinh học sử dụng tảo Họ đã tìm ra rằng, trong hệ thống xử lý nước thải đô thị, hiệu quả loại bỏ BOD và COD lần lượt là 68.4 và 67.2%

Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng tảo để xử lý nước thải đã được tiến hành

từ khá lâu Theo đó, các đối tượng tảo khác nhau đã được nuôi trên các môi trường nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, nước thải ao nuôi thủy sản và đã đưa ra những kết quả khả quan về mặt loại bỏ hợp chất nitơ, phốtpho Theo nghiên cứu của

Dương Thị Hoàng Oanh (2011), tảo Spirulinaplatensis có thể phát triển tốt trong

các nguồn nước thải từ ao cá tra, nước thải biogas và nước thải sinh hoạt, tảo phát triển với mật độ cao nhất (87.775±41.688 tb/ml) và làm giảm các yếu tố dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt một cách có hiệu quả nhất (hàm lượng TAN giảm 96,2%,

NO3 - giảm 76,1%, PO43- giảm 98,1%, COD giảm 72,5%) Một nghiên cứu khác của Trần Trấn Bắc (2013) về nghiên cứu sử dụng nước thải ao nuôi thủy sản để nuôi

Chlorella kết luận rằng tảo phát triển tốt trong nước thải ao cá tra và hấp thu lượng

dinh dưỡng tốt nhất vào trong ba ngày đầu tiên (với hiệu suất hấp thu N-NO3- giảm 95,27%, N-NH4+ giảm 43,48% và P-PO43- giảm 88,66%)

Không những thế, nhiều nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm và đưa ra những điều kiện tối ưu nhằm tăng hiệu quả xử lý của tảo bằng việc thay đổi các điều kiện tác động như ánh sáng, nhiệt độ, thời gian thu sinh khối, … và chỉ ra hướng ứng

dụng sinh khối tảo thu được vào những mục đích khác nhau Theo Võ Thị Kiều Thanh (2012) đã nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của

tảo và sử dụng loài giáp xác nhỏ Daphnia sp để loại bỏ sinh khối sau đó thu sinh khối Daphnia làm thức ăn cho động vật thủy sinh Kết quả, sau khi nuôi tảo 9 ngày,

hàm lượng COD trong nước thải chăn nuôi lợn giảm từ 65,8- 88,2%; BOD5 giảm từ 61,4-84%; nitơ tổng số giảm 87,4-90,18%, còn hàm lượng phốtpho tổng số có hiệu quả xử lý không cao 47,7-56,15% Nguyễn Thị Thanh Xuân (2012) đã báo cáo kết

quả thử nghiệm nuôi trồng trong nước thải hầm biogas cho thấy Chlorella Vulgaris

có thể sinh trưởng tốt, đồng thời có khả năng xử lý nước thải và cho lipid nhằm mục tiêu sản xuất biodiesel

Bảng 2.2 Tổng hợp khả năng loại bỏ N,P của tảo trong các môi trường khác nhau

trường/nước thải

Phương thức xử

lý

Thời gian tiến hành (ngày)

Nguồn

Nồng độ đầu vào (mg/l)

Hiệu quả loại bỏ (%)

Nồng độ đầu vào (mg/l)

Hiệu quả loại bỏ (%)

Nguồn: Số liệu tổng hợp (2015)

b Các nghiên cứu ứng dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải

Nuôi cấy tảo đã cung cấp một biện pháp có hiệu quả để loại bỏ các chất dinh dưỡng từ nước thải (Evonne and Tang , 1997) Xử lý nước thải bằng vi tảo

là một biện pháp thân thiện với môi trường đồng thời đem lại lợi ích cả về loại bỏ

chất ô nhiễm và sản xuất sinh khối (Mulbry et al., 2006) Các loại tảo đã được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Chlorella (Gonzale et al., 1997), Scenedesmus (Martinez et al., 1999), Spirulina (Olguin et al., 2003) Một số thí nghiệm đã

được tiến hành để kiểm tra sự chuyển hóa đạm (TN) và tổng photpho (TP) ra

khỏi môi trường nước thải bằng tảo Chlorella như thí nghiệm của Gozalez(1997) (Trần Sương Ngọc, 2003) Tác giả phát hiện ra Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphus đã hấp thu 95% NH4+ và TP 50% trong nước thải Tảo được nuôi trong các ống hình trụ và bình tam giác, cho thấy giai đoạn đầu

Scenedesmus có hiệu quả xử lý tốt hơn trong loại bỏ dinh dưỡng nhưng thời kỳ

cuối thí nghiệm thì tương tự nhau Sreesai and Pakpain (2007) đã nghiên cứu khả

năng loại bỏ dinh dưỡng của tảo Chlorella vulgaris qua việc đo hàm lượng TN

và TP Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng cao nhất ở nghiệm thức nuôi tự nhiên và lượng TN, TP được loại bỏ khỏi môi trường nước lần lượt là 88% và 68%

Nghiên cứu của Liang Wang và cs (2009) về khả năng xử lý nước thải

sinh hoạt bởi tảo Chlorella đã co thấy hiệu quả loại bỏ tổng N và tổng P lần lượt

là 76% và 65% Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp

do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp Thành phần amoni chiếm

60 - 80% hàm lượng TN trong nước thải sinh hoạt (R Crites, G Tchobanoglous

1998 và WEF 1998) Đối với Chlorella nguồn nito sử dụng là muối amonium,

nitrate và urea trong đó amonium cho kết quả tốt nhất (Iriarte, 1991) Như vậy

nước thải sinh hoạt rất thích hợp cho sự sinh trưởng phát triển của tảo Chlorella Lau et al (1996) nghiên cứu khả năng của xử lý nước thải của Chlorrella vulgaris trong việc loại bỏ chất dinh dưỡng và kết quả loại bỏ được 86 % N vô

cơ và 70% P vô cơ Theo kết quả của Colak và Kaya (1988) tảo đã loại bỏ 97,8% Photpho trong nước thải sinh hoạt Theo nghiên cứu của Dương Thị Hoàng Oanh

(2011), tảo Spirulina platensis có thể phát triển tốt trong các nguồn nước thải từ

ao cá tra, nước thải biogas và nước thải sinh hoạt, tảo phát triển với mật độ cao nhất (87.775±41.688 tb/ml) và làm giảm các yếu tố dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt một cách có hiệu quả nhất (hàm lượng TAN giảm 96,2%, NO3 - giảm 76,1%, PO43- giảm 98,1%, COD giảm 72,5%)

Nhiều nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm và đưa ra những điều kiện tối

ưu nhằm tăng hiệu quả xử lý của tảo bằng việc thay đổi các điều kiện tác động như ánh sáng, nhiệt độ, thời gian thu sinh khối, tỉ lệ dinh dưỡng N : P trong nước thải… và chỉ ra hướng ứng dụng sinh khối tảo thu được vào những mục đích

khác nhau Hiệu quả loại bỏ TN và TP bởi Chlorella vulgaris trong thí nghiệm của

Chen Yan và cộng sự (2013) đạt 69.29 ± 5.17% và 77.24 ± 4.92%, kết quả này cao

hơn so với nghiên cứu của Bhatnagar et al (2010) khi sử dụng một dòng tảo lục khác là Chlorella minutissima để xử lý nước thải trong điều kiện ánh sáng tự

nhiên, chứng tỏ so với sử dụng ánh sáng tự nhiên, sử dụng ánh sáng nhân tạo với bước sóng tối ưu đạt hiệu quả cao hơn Khi nghiên cứu hiệu qủa xử lý nước thải

sinh hoạt của Chlorella vulgaris trong các tỷ lệ N:P khác nhau, tỷ lệ N:P là 16:1

cho kết quả loại bỏ Nito cao nhất đạt 96% (Hee Jeong Choi Cs 2014), đây cũng

là tỷ lệ gây nên hiện tượng phú dưỡng trong các ao hồ và cũng là tỉ lệ N:P trong công thức tế bào chung của nhiều loài tảo (Klausmeier CA, 2004) Theo Richard

(2004) đây là tỉ lệ cho tảo Chlorella sinh trưởng cực đại Trong khoảng tỷ lệ N:P

là 1:1- 20:1 hiệu quả loại bỏ TP của tảo Chlorella vulgaris với nước thải sinh

hoạt là 80% (Hee Jeong Choi Cs 2014)

Với nước thải chăn nuôi, tảo cũng sinh trưởng, phát triển tốt Liandong

Zhu et al (2013) đã nghiên cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nước thải chăn nuôi

cho thấy hiệu quả loại bỏ TN và TP lần lượt là 76% và 65% Liang Wang & Min Min (2009) cho thấy hiệu quả xử lý TN giảm 62-92%, TP giảm 70-79% khi nước thải có tỷ lệ N:P từ 4.5:1- 6:1 Võ Thị Kiều Thanh (2012) khi nghiên cứu về hiệu

quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của tảo Chlorella sp cho thấy sau khi

nuôi tảo 9 ngày, hàm lượng COD trong nước thải chăn nuôi lợn giảm từ 65,8- 88,2%; BOD5 giảm từ 61,4-84%; TN giảm 87,4-90,18%, còn TP có hiệu quả xử

lý không cao chỉ đạt 47,7-56,15%

Một nghiên cứu khác của Trần Trấn Bắc (2013) về nghiên cứu sử dụng nước

thải ao nuôi thủy sản để nuôi Chlorella kết luận rằng tảo phát triển tốt trong nước

thải ao cá tra và hấp thu lượng dinh dưỡng tốt nhất vào trong ba ngày đầu tiên (với hiệu suất hấp thu N-NO3- đạt 95,27%, N-NH4+ đạt 43,48% và P-PO43- đạt 88,66%)

Colak và Kaya (1988) đã báo cáo về hiệu quả loại bỏ nito (50,2%) và photpho (85,7%) trong nước thải công nghiệp của tảo Hiệu quả xử lý của

Chlorella vulgaris với nước thải dệt nhuộm cũng được nghiên cứu trong đó loại

bỏ màu dao động từ 41,8% đến 50,0%, giảm NH4 –N (44,4-45,1%), PO4 –P (33,1 -33,3%) và COD (38,3 -62,3%)(Lim và cs., 2010) Hala Yassin El-Kassas (2014)

đã kết luận Chlorella vulgaris nuôi trong môi trường nước thải dệt hiệu quả xử lý COD đạt 69,9% và loại bỏ màu đạt 75,68% Do đó việc nuôi C vulgaris trong

nước thải dệt nhuộm chứng minh khả năng sản xuất sinh khối, loại bỏ màu sắc và

COD Farooq ahmad (2013) tiến hành sử dụng Chlorella vulagris trong xử lý

nước thải đô thị và sản xuất dầu diesel sinh học, kết quả phân tích các thông số được thực hiện trong các bước thí nghiệm cho thấy một tỷ lệ phần trăm loại bỏ tối đa COD (99,9%), BOD (100%), NO3- (99,98%), PO42- (99,96%) và tổng

colifrom (100%) trong nước thải (Farooq ahmad et al., 2013)

Ngoài ứng dụng trong xử lý nước thải, tảo Chlorella còn rất nhiều ứng

dụng khác trong đời sống Việc này thích hợp để phát triển việc sử dụng tảo xử lý môi trường đồng thời nuôi sinh khối tảo để phục vụ cho những lĩnh vực khác

Tảo Chlorella vulgaris có khả năng tích lũy chất béo trong tế bào lên đến 35,86%

có khả năng cho dầu lên đến 45 tấn/ha/năm (Trương Vĩnh, 2009) Thành phần

acid béo của chất béo từ vi tảo C.vulgaris được nuôi cấy ở điều kiện thích hợp

phân bố từ C15 đến C20, và tập trung chủ yếu là palmitic acid methyl ester (C16:0)

và linoleic acid methyl ester (C18:2) Đây là loại chất béo chủ yếu để tổng hợp Biodiesel (Hồ Quốc Phong và cs., 2014) Do đó, qua nghiên cứu này cho thấy vi tảo

có tiềm năng rất lớn để làm nguồn nguyên liệu tổng hợp Biodiesel

Trong Chlorella có chứa nhiều β-Carotene, là chất chống oxy hóa, sửa

chữa DNA hư hỏng có tác dụng ngăn ngừa và phá hủy tế bào ung thư Ngoài Caroten ra, còn có nhiều Vitamin C, Vitamin E và Selenium, cũng là những chất chống oxy hóa

Chlorella nâng cao lượng Interferon, là nhân tố tự nhiên quan trọng bậc

nhất của cơ thể, là vũ khí phòng chống ung thư, có tác dụng kích thích sự hoạt

động của tế bào Lympho-T và đại thực bào Macrophages Từ đó tăng cường kháng thể, không những chống lại những tế bào ung thư mà còn cả vi khuẩn, virus, chất hóa học và protein lạ

2.2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HRAPS TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Nhiều giải pháp công nghệ xử lý nước thải giàu dinh dưỡng đã được thử nghiệm Tại Singapore những năm gần đây đã có các công nghệ xử lí nước thải như: Công nghệ lọc Ultra (UF), công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) hay ở Israel, nước thải công nghiệp và sinh hoạt đều được thu gom vào các hệ thống xử

lý tập trung Các công nghệ này cho hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên chi phí đầu tư, vận hành cao, đòi hỏi xử lý tập trung, điều này dẫn tới không khả thi trong điều kiện thực tế Hiện nay thì giải pháp sử dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải đang được các nước quan tâm và ưu tiên thực hiện Công nghệ sinh học vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội và môi trường Ứng dụng công nghệ sinh học như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý nước thải hiệu quả mà không mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường

Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (High rate algal ponds -HRAPs) đã

được sử dụng từ lâu trong lĩnh vực thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuất nhiên liệu sinh học Tuy nhiên, nuôi tảo thông thường đòi hỏi cao về nguồn nước, chất dinh dưỡng và CO2, chúng chiếm 10-30% tổng chi phí (Borowitzka, 2005;

Benemann, 2008a; Tampier, 2009; Clarens et al., 2010) HRAPs được phát triển

vào cuối những năm 1950 cho xử lý nước thải và phục hồi tài nguyên của Oswald và đồng nghiệp (Oswald and Golueke 1960)

Nguyên lý chung của công nghệnày dựa vào việc kéo dài pha quang hợp

và rút ngắn pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăng sinh khối tảo, việc phát triển sinh khối của tảo đồng nghĩa với việc loại bỏ các thành phần dinh dưỡng (N và P) có trong nước thải

Không giống như các hệ thống xử lý nước thải chỉ có chức năng tập trung

là xử lý nước thải, công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) được thiết kế không những cho hiệu quả xử lý tối ưu mà sản lượng sinh khối tảo cũng tối

đa Tải trọng tiêu biểu cho HRAPs ở vùng khí hậu ôn đới trung bình 134 kg BOD

ha-1d-1 , đạt tải trọng mùa hè tối ưu 366 kg BOD ha -1 d -1 Rất nhiều các tài liệu khoa học hiện có cho thấy HRAPs có thể đạt được hiệu quả cao về xử lý cho cả

nước thải sinh hoạt và nông nghiệp được đánh giá bằng hiệu quả loại bỏ BOD, TSS, nito, phốt pho và kim loại nặng (Brian H Kiepper, 2013)

Hệ thống ao xử lý nước thải thông thường không được thiết kế để phục hồi tài nguyên từ nước thải Năng suất tảo/ vi khuẩn trung bình hàng năm trong

ao thường ít hơn 2,5 gm-2 ngày-1 (Craggs et al., 2003) Việc chiều sâu nông của

HRAPs tăng tốc độ của ánh sáng mặt trời làm kích thích vi khuẩn và thúc đẩy quá trình oxy hóa hòa tan các chất ô nhiễm hữu cơ (Davies –Colley 2005)

Craggs (2012) đã nghiên cứu về việc xây dựng và hoạt động của 5-ha

hệ thống HRAP xử lý nguồn nước thải chính tại nhà máy xử lý nước thải Christchurch, New Zealand Hệ thống này bao gồm 4 HRAPs 1,25-ha được xây dựng Kết quả về hiệu suất từ 15 tháng đầu tiên HRAP hoạt động (mà không cần bổ sung CO2) đã được thể hiện Bốn HRAPs đã cho thấy hiệu suất nuôi sinh khối tảo/ vi khuẩn tương tự với hiệu quả xử lý nước thải trung bình hàng năm (nồng độ BOD5 nước thải đã giảm 47-52% trong bốn HRAPs Loại

bỏ fBOD5 là cao và nhất quán giữa bốn HRAPs với tất cả các HRAPs đạt được 82-91% hiệu suất loại bỏ Hiệu quả NH4-N loại bỏ bởi bốn HRAPs là 68-80%, trong khi loại bỏ PO43- chỉ 14-24%) (Craggs et al., 2012) Nghiên cứu

cho thấy tiềm năng về hiệu quả năng lượng và xử lý nước thải sử dụng HRAP, trong khi sinh khối tảo sau thu hoạch có thể trở thành nơi phân phối nguồn

năng lượng quý cho địa phương (Craggs et al., 2012)

Hình 2.3 Mô hình hệ thống HRAPs

Nguồn: R Craggs và cs (2012)

J García và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) với 2 bể HRAPs để xử lý nước thải đô thị của khu vựcBarcelona, Tây Ban Nha.Nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trong một năm, phân phối theo hai giai đoạn: từ tháng 6 năm 1993 đến tháng 2 năm 1994 và giữa tháng 4 năm 1994 đến tháng bảy năm 1994 Cả hai HRAPs được hoạt động song song, nhưng với thời gian lưu thủy lực khác nhau Trong thời gian đó HRAP A luôn được vận hành với thời gian lưu thủy lực cao hơn HRAP B Thí nghiệm cho thấy thời gian lưu thủy lực ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ Nito (khi các điều kiện thí nghiệm là giống hệt nhau cho cả 2 HRAPs) Phạm vi của thời gian lưu thủy lực được thông qua đã được lựa chọn theo các khuyến nghị của Oswald (1986) Thử nghiệm đầu tiên thời gian là từ tháng 7 năm 1993 đến tháng 10 năm

1993 trong đó HRAP A và B có thời gian lưu thủy lực tương ứng là 7 và 4 ngày

Từ tháng 11 năm 1993 đến tháng 2 năm 1994, thời gian lưu thủy lực lần lượt là

10 và 8 ngày Từ giữa tháng 4 năm 1994 đến tháng 6 năm 1994, HRAP A có thời gian lưu là 7 và HRAP B là 5 ngày, và vào tháng 7 năm 1994, 2 bể có thời gian lưu nước tương ứng là 4 và 3 ngày Nước thải đầu vào của HRAPs có các thông

số về TSS, COD, BOD5, TN, TP lần lượt là 59 mg/L, 260 mg/L, 130 mg/L, 51 mg/L N và 8,5 mg/L P Kết quả việc loại bỏ Nitơ trung bình hàng năm là 73% cho HRAP A và 57% cho HRAP B Các loài tảo chính ở 2 HRAPs trong suốt

nghiên cứu là: Dictyosphaerium pulchellum, Chlorella sp., Micractinium pusillum, Scenedesmus armatus, S.acutus.Mức độ loại bỏ Nito có thể được kiểm

soát thông qua việc điều chỉnh thời gian lưu thủy lực phù hợp Theo nghiên cứu

có thể giữ thời gian lưu 4 ngày vào mùa xuân và mùa hè, và 10 ngày trong mùa thu và mùa đông Nồng độ Nito trong nước thải của hệ thống HRAPs có thể giảm

xuống dưới 15 mg/L N ( J García et al., 2000)

Donna L Sutherland đã ứng dụng hệ thống xử lý nước thải HRAPs tại nhà máy Christchurch,Zealand Vi tảo được đánh giá về khả năng sản xuất sinh khối, hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng, sự hấp thụ ánh sáng và tiềm năng quang hợp theo mùa Tỷ lệ phần trăm của amoni (NH4-N) đã loại bỏ được cao nhất ở mùa xuân (79%) và mùa hè (77%) và thấp nhất vào mùa thu (47%) và mùa đông (53%), trong khi hiệu quả loại bỏ của NH4-N loại bỏ trên một đơn vị sinh khối cao nhất vào mùa thu và mùa hè và thấp nhất vào mùa đông và mùa xuân (Donna L Sutherland, 2013)

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPS

2.3.1 Các thông số kỹ thuật vận hành

Trong công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao HRAPs xử lý nước thải các chất dinh dưỡng đượcloạibỏ thông qua sự đồng hóa thành sinh khối tảo Vì vậy, cần kiểm soát các yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong hệ thống HRAPs để tối ưu hóa hiệu quả Quang hợp là động lực thúc đẩy sự hấp phụ các chất dinh dưỡng và hình thành của sinh khối và hiệu quả của nó là khối lượng vi tảo thu được (Grobbelaar năm 2010; Wilhelm và Jakob 2011) Các yếu

tố có ảnh hưởng đến quang hợp bao gồm các yếu tố vật lý như ánh sáng, sự xáo động và nhiệt độ; các yếu tố hóa học như lượng dinh dưỡng, pH và độ mặn; các yếu tố sinh học như sự cạnh tranh giữa loài và nhiễm virus (Grobbelaar 2000; Larsdotter 2006a; González-Fernández và cs 2011) Việc thiết kế và hoạt động của một HRAPs có thể ảnh hưởng đến một số các yếu tố này và ảnh hưởng đến tế bào tảo Ánh sáng trong HRAPs được thay đổi bởi độ sâu của ao, nồng độ sinh khối

và sự xáo trộn Những yếu tố này ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả của quang hợp

và cuối cùng là năng suất (Grobbelaar/ 2009; Donna L Sutherland, 2013)

Những hệ thống HRAPs thường được xây dựng theo hình tròn, nông, theo dạng đường đua (raceways) với năng lượng đầu vào thấp, đã được sử dụng trên toàn thế giới để xử lý nước thải trong nhiều năm HRAPs thường được thiết

kế ở độ sâu 8-20 inches (20-50 cm) và duy trì 1-3 ngày Một HRAP duy trì trạng thái hiếu khí bằng cách sử dụng sự phân bố của vi tảo và một số hình thức trộn

cơ khí đầu vào năng lượng thấp, chẳng hạn như một bánh khuấy quay chậm Việc khuấy trộn ngăn chặn sự hình thành của lớp bùn có thể dẫn đến điều kiện yếm khí (Brian H Kiepper, 2013)

Donna L Sutherland đã mô tả thiết kế hệ thống HRAP để xử lý nước thải tại nhà máy xử lí nước thải Christchurch, Newzeland Hệ thống này bao gồm bốn vòng đơn liền kề, đất lót mương HRAPs, mỗi vùng nước diện tích 12.500 m2, độ sâu hoạt động của mương 0,35 m và tổng khối lượng 4,375 m3 Trong mỗi HRAPs, có một bánh khuấy được sử dụng để trộn nước thải trong mương ở một vận tốc nước trung bình ngang mặt là 0,2 m s-1 Tốc độ dòng chảy nước thải là

486 m3 mỗi ngày từ mỗi HRAP, tương đương thời gian lưu nước là 9 ngày Trong những tháng mùa đông, HRAPs được vận hành với thời gian lưu là 9 ngày, trong mùa thu và mùa xuân thời gian lưu là 7 ngày và trong suốt mùa hè là

5,5 ngày (Donna L Sutherland et al., 2013)

Hình 2.4 Sơ đồ của một hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao

Nguồn : R Craggs và cs (2012)

J.B.K Park (2010) thiết kế HARPS có độ sâu 0,2-1 m Bánh khuấy xáo trộn nước tạo ra vận tốc dòng nước trung bình 0,15 – 0,3m/s (Craggs, 2005) Dòng nước dưới dạng đường đua có thể là một vòng hoặc nhiều vòng xung quanh những bức tường ngăn cách

J García trong nghiên cứu của mình đã đưa ra một sơ đồ (Hình 2.4) của

HRAPs dạng đường đua Mỗi HRAP có diện tích nước là 1,54 m2 và thể tích là 0,47 m3 Các bánh khuấy trộn trong cả hai kênh nước tạo ra một vận tốc giữa kênh 9 cm s-1 Mỗi lắng có diện tích bề mặt là 0,0255 m2 Chiều cao của đập lắng kiểm soát độ sâu của nước trong HRAPs, được điều chỉnh đến 0,3 m

Hình 2.5 Sơ đồ mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ thống HRAPs

HRAPs thường có độ sâu khác nhau trong khoảng 0,2-1,0 m (Park và cs , 2011a) Độ nông sâu, cùng với lượng nito và phốtpho cao từ nước thải, cho phép tảo sinh sôi nảy nở cho sinh khối cao, nồng độ chlorophyll-a (chl-a) sinh khối thường vượt quá 3000 mg/m3 (Craggs và cs , 2012) Bánh khuấy được sử dụng

để nhẹ nhàng di chuyển nước trong kênh (nước trung bình vận tốc thường 0,30 m/s) và tạo ra sự xáo trộn thẳng đứng (Craggs và cs , 2014) Việc khuấy trộn tăng cường sự phát triển tảo bằng cách đảm bảo sự tiếp xúc thường xuyên của các tế bào với ánh sáng, ngăn ngừa sự lắng đọng của các tảo /vi khuẩn và tăng cường sự khuếch tán của các chất dinh dưỡng qua lớp biên xung quanh các

0,15-tế bào (Oswald, 1988; Grobbelaar, 2010; Hadiyanto et al., 2013) (trích Donna L Sutherland et al., 2014)

Như vậy, công trình xử lý nước thải bằng nuôi tảo hiệu suất cao thường được thiết kế theo dạng đường đua (race way): đường đua là kênh chứa nước thải

có độ sâu tối đa 100 cm, chiều rộng kênh tối thiểu là 100 cm, chiều dài được tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượng nước thải (m3/ngày) và thời gian lưu nước Nước thải đi qua hệ thống sẽ được đảo trộn đều bởi máy khuấy Hệ thống khuấy giúp cho sự phân bố của tảo đều trên toàn bộ mặt kênh Nhiều loài tảo đã được nghiên

cứu nhằm mục đích này như: Chlorella (Gonzale et al., 1997), Scenedesmus (Martinez et al., 1999), Spirulina (Olguin et al., 2003) Với nguồn sinh khối tảo

thu được từ hệ thống, tảo có thể sử dụng làm thức ăn thuỷ sản, phân bón và nhiên liệu sinh học Bên cạnh đó, việc hấp thu CO2 giúp giảm thiểu các tác động tới biến đổi khí hậu tạo ra một chuỗi chăn nuôi phát thải cacbon thấp

2.3.2 Các thông số môi trường và dinh dưỡng

a Nhiệt độ

Theo Karin et al (2006), các loài vi tảo thường phát triển tốt trong khoảng

nhiệt độ từ 15 – 25oC Nhiệt độ tăng làm tăng sự phát triển của tảo cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu (Soeder., 1981) Tăng nhiệt độ vượt quá mức tối ưu làm giảm tổng hợp protein và do đó dẫn đến giảm tốc độ tăng trưởng (Konopka và cs., 1978)

Chlorella vulgaris tăng trưởng tối ưu ở nhiệt độ 25oC

b 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 CO2 Không chỉ vậy nó còn là nguồn năng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng Các sinh vật sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO vào các hợp chất hữu cơ trong tế bào Tảo

khắc phục hạn chế ánh sáng bằng cách giảm độ bão hòa của màng lục lạp Khi cường độ ánh sáng quá cao, vượt mức độ bão hòa sẽ gây ra hiện tượng

photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh sáng Điều này có thể làm bất hoạt các

enzym tham gia vào quá trình cố định CO2 (Iqbal và cs., 2012) Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện nuôi cấy, Nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000 LUX, với bể nuôi lớn cường

độ ánh sáng cần cung cấp vào khoảng 5000 – 10000 LUX

c pH

Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nuôi cấy tảo là pH vì nó quyết định khả năng hòa tan và hàm lượng sẵn có của CO2 cũng như các chất dinh dưỡng thiết yếu trong môi trường pH có một tác động đáng kể tới quá trình trao đổi chất của tảo (Chen và cs ,1994) Trong quá trình sinh trưởng, tảo hấp thu cacbon vô cơ khiến cho pH tăng lên đáng kể trong suốt quá trình nuôi (Hansen và cs ,2002) Mức tăng trưởng tối ưu của tảo đạt được trong khoảng pH trung tính (7 – 7,6)

pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trong nước

Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sự tăng trưởng của tảo (Azov và cs ,1982) Do pH cao làm tăng tính linh hoạt của thành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hình thành các tự bào tử, từ đó làm tăng thời gian hoàn thành của chu kỳ tế bào (Guckert và cs , 1990) Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit làn thay đổi sự hấp thu chất dinh dưỡng (Gensemer và cs , 1993) hoặc làm tăng khả năng phát tán kim loại độc (Sunda và cs , 1975) và do đó làm ảnh hưởng tới sự phát triển của tảo

d Cấp khí

Theo person (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 không sục khí Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trò quan trọng đặc biệt trong quá trình quang hợp, nó có thể được cung cấp bởi nguồn CO2 trong khí quyển, từ khói thải của nhà máy, trong các muối carbonate hòa tan như NaHCO3 Khi sục khí CO2 ở nồng độ quá lớn cũng có ảnh hưởng ức chế đến quá trình sinh trưởng của tảo

e Dinh dưỡng

Cacbon là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải được cung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo Nó là yếu tố cần thiết cho quang

hợp và sinh sản Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng của tảo Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat hoặc bicacbonat CO2 trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộc vào

pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng Ở những giá trị pH cao, lượng cacbonat

tăng và bicacbonat giảm (Chen et al., 1994) Ở những giá trị pH trung bình

(pH=8,2) , 90 % cacbon hiện diện trong HCO3-, chỉ có 1% tồn tại như CO2 phân

tử và phần còn lại là bicacbonat (Eshaq et al., 2010) Khi hàm lượng CO2 quá cao có thể làm giảm nồng độ tương đối của protein và các sắc tố trong tế bào nhưng làm gia tăng hàm lượng carbohydrate Sự thay đổi trong thành phần tế bào

này làm giảm năng suất sinh khối tối đa (Gordillo et al., 1998)

Trong thủy vực tảo có khả năng tổng hợp chất vô cơ thành chất hữu cơ cho cơ thể thông qua quá trình quang hợp Trong các thủy vực tự nhiên sự phát triển của tảo phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là nước, ánh sáng và muối vô cơ mà chủ yếu là Photpho và Nitơ Do đó tại một thời điểm chỉ cần hạn chế một trong

ba nhân tố trên là có thể giới hạn sự sinh trưởng của tảo Tuy nhiên nguồn giới hạn này có thể thay đổi và việc xác định đúng nguồn nhân tố giới hạn từ ba nguồn trên trong điều kiện thực tế của ao nuôi tảo cũng như các nguồn nước thải

là điều cần thiết cho việc quản lý sự phát triển của tảo (Lucc et al., 1990) Theo

Round (1975) khi bất kì nhóm tảo nào phát triển chiếm ưu thế, điều này có liên quan đến khả năng dự trữ Nitơ và Photpho trong tế bào tảo

Nitơ và phốtpho là hai chất dinh dưỡng quan trọng cho sự tăng trưởng và

sự trao đổi chất của các tế bào tảo Tuy nhiên trong nước thải sau khi xử lý bằng các quá trình hiếu khí hoặc yếm khí vẫn còn chứa nhiều Nitrat (NO3-), amon (NH4+), phosphate (PO43-), dẫn đến hiện tượng phú dưỡng ở ao hồ gây nở hoa tảo

độc hại (Sawayama et al., 1998) Prasad (1982) và Geddes (1984) đã xem xét P

và N là chìa khóa của hiện tượng phú dưỡng Vì vậy, cần nghiên cứu xử lý 2 dinh dương này trong nước để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng nguồn nước

(Sawayama và et al., 2000) Theo Smith (1982) và Downing (1997) thì Nitơ và

Photpho là hai chất dinh dưỡng được cho là có ảnh hưởng đến việc hạn chế sinh trưởng, phát triển của thực vật phù du Nước thải được xử lý chủ yếu là do quá trình phân hủy hiếu khí hoặc kỵ khí; Tuy nhiên, nước thải được xử lý vẫn còn chứa các hợp chất vô cơ như nitrat, amoni và phosphate, dẫn đến hiện tượng phú

dưỡng ở hồ và gây nở hoa tảo độc hại (Sawayama et al., 1998)

Nitơ là một yếu tố dinh dưỡng góp phần quan trọng trong việc sản xuất sinh khối tảo và tham gia vào thanh phần của tế bào như axit amin, protein, amino axit… và chiếm 7% đến 20% trọng lượng khô của tế bào ( Hu Q , 2004) Hầu hết các loài vi tảo có khả năng sử dụng nhiều nguồn nitơ gồm có nitơ hữu cơ (ure, glutamin, glyxin,…) và nitơ vô cơ (amoni, nitrat và nitrit) Các dạng nitơ

vô cơ trong nước được tảo hấp thụ và đồng hóa thành các hợp chất sinh hóa trong

cơ thể và được các tế bào sử dụng để đáp ứng các thay đổi của nhu cầu sinh lý Tác động chủ yếu của tình trạng thiếu nitơ trong môi trường nuôi tảo là việc giảm

hàm lượng protein (Morris et al., 1997) và tăng khả năng tích tụ các chất béo (Thompson et al., 1996)

Phốt pho là một phần dinh dưỡng chính đóng một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của tế bào như chuyển giao năng lượng, sinh tổng hợp acid nucleic, DNA cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình thường của tảo Phốtpho thường chiếm 1% trọng lượng khô của tảo (Hu.Q., 2004) Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong môi trường tự nhiên, phốtpho là yếu tố giới hạn đối với

sự phát triển của tảo (Borchardt và cs , 1968) Hàm lượng phốtpho thấp trong môi trường cũng dẫn đến sự tích tụ các chất béo Tổng litpit trong tảo

Scendesmus sp tăng từ 23% lên 53%, đồng thời với việc giảm nồng độ phốtpho trong nước từ 0,1 – 2,0 mg/L (Li et al., 2010)

2.4 MÔ HÌNH SINH THÁI VÀ CÁC DẠNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT CHO ĐỐI TƯỢNG TẢO

2.4.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình sinh thái và ứng dụng của nó

Trong sinh thái học, hệ sinh thái là hệ thống các quần thể sinh vật sống chung

và phát triển trong một môi trường nhất định, quan hệ tương tác với nhau và với môi trường đó Còn theo quan điểm toán học, hệ sinh thái là một tập các đối tượng có cùng một tính chất chung nào đó, tương tự với một hệ thống Hệ thống được đặc trưng bởi các thành phần, đơn vị riêng liên kết với nhau thành một thực thể, tổng thể, trong đó luôn có sự vận động phát triển, thống nhất, mâu thuẫn mà chúng ta có thể mô tả, đoán đọc được

Trong nghiên cứu hệ thống, chúng ta nghiên cứu về động thái của chúng theo nghĩa của các phương trình toán học Những hệ thống đặc trưng đó được gọi

là một mô hình toán Vì thế, mô hình sinh thái hay mô hình hệ sinh thái là một

sự mô phỏng toán học cho một HST Chúng đơn giản hóa một chuỗi thức ăn

phức tạp với các thành phần của lưới thức ăn hoặc các bậc dinh dưỡng chính và cũng định lượng cho số cá thể và sinh khối hoặc kiểm kê số lượng hay nồng độ

cả một số thành phần hóa học Mô hình hệ sinh thái là sự phát triển các lý thuyết sinh thái với mục đích mô tả những động thái cơ bản nhất của các HST, đồng thời đưa ra những dự đoán cho hoạt động của chúng Do đặc tính phức tạp của HST (đa dạng về loài hay về thành phần sinh thái), mô hình HST mô tả một cách đơn giản hệ thống được nghiên cứu với một giới hạn về số lượng thành phần thực thể Đó có thể là các loài có tầm quan trọng đặc biệt, hoặc có thể là các nhóm chức năng lớn như nhóm tự dưỡng, nhóm dị dưỡng, nhóm hoại sinh Trong cấu trúc của mình, mô hình có các biến số như sau:

- Đối tượng (biến trạng thái – state variables) là phần tử cấu thành hệ , thể

hiện bản chất của hệ Chúng là những thành phần hệ thống căn bản mà chúng ta muốn dự đoán những giá trị của chúng theo thời gian

- Biến ngoại sinh (exogerous variables) là yếu tố bên ngoài có ảnh hưởng

đến biến trạng thái (ví dụ các yếu tố ngoại cảnh không chịu ảnh hưởng của hệ như ánh sáng, gió, lượng mưa…)

- Biến điều khiển (decision variables) hay biến quyết định là các phần tử

của hệ chịu ảnh hưởng của các tác động bên ngoài hệ Trong một hệ thống nhất định nó thường là các yếu tố do con người đưa vào với mục đích điều khiển hoạt động của hệ (ví dụ thức ăn và phân bón)

- Trong một số mô hình và tùy vào quan điểm của từng nghiên cứu mà

người ta có thể gọi chung biến ngoại sinh và biến điều khiển là biến kiểm soát

và ổn định của nó Hơn nữa mô hình sinh thái sẽ xác định ảnh hưởng của các

kịch bản tới hệ sinh thái và thiết kế hệ thống quản lý

2.4.2 Tổng hợp mô hình lý thuyết mô phỏng sự phát triển của tảo

Tảo là đối tượng trong các mô hình sinh thái, quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo được mô phỏng theo nhiều dạng mô hình khác nhau, phù hợp với điều kiện môi trường và nhu cầu thông tin Các dạng mô hình này được chia theo nhiều cách nhưng được kể đến nhiều nhất là hệ thống được phân loại theo Becht

và cs (2013)

Dựa vào khả năng ứng dụng và độ phức tạp chia ra 3 loại mô hình Loại đầu tiên (loại 1) xác định tốc độ quang hợp trong môi trường nuôi cấy thông qua chức năng của cường độ ánh sáng thông thường và cường độ ánh sáng trung bình trong môi trường Loại II tính toán tổng tốc độ quang hợp bằng cách tính tổng tốc

độ quang hợp của từng lớp trong môi trường, tốc độ mỗi vùng dựa vào điều kiện mỗi vùng Loại III tính toán các điều kiện từng vùng cũng như chu trình tuần hoàn ánh sáng (second scale light cycles) Loại III là mô hình có mức chi tiết lớn nhất, trường hợp phức tạp nhất để áp dụng vào thực tế

Hình 2.6 Ba loại mô hình của Bechet và cs (2013)

• Mô hình loại I:

Loại mô hình này dự đoán tốc độ quang hợp dựa vào chức năng của cường

độ ánh sáng thông thường và trung bình Loại I có thể chia thành điều kiện ánh sáng bình thường và ánh sáng trung bình

Cường độ ánh sáng thông thường: dự đoán tốc độ quang hợp trong điều

kiện ánh sáng bình thường được đo liên tục Loại mô hình thì được áp dụng ở một số điều kiện nhất định và không thể áp dụng diện rộng Dữ liệu trong mô hình nên chỉ so sánh các yếu tố có chiều đồng nhất và các thông số

Cường độ ánh sáng trung bình: Loại I dựa trên cường độ ánh sáng trung

bình dự đoán tốc độ quang hợp trong môi trường Ý tưởng này thực hiện trong hệ thống hòa trộn hoàn toàn, trung bình cường độ ánh sáng và tốc độ quang hợp giống nhau Mô hình này giới hạn 2 yếu tố với cường độ ánh sáng trung bình giống nhau với mức cường độ ánh sáng khác nhau phụ thuộc vào nồng độ tế bào

và yếu tố hình học (hình dạng bể) Phép toán về tốc độ tăng trưởng của tảo dự đoán sẽ giống nhau, tuy nhiên trong thực tế tốc độ trung bình thì phụ thuộc vào giới hạn ánh sáng, độ bão hòa và các giá trị liên quan đến tế bào bị ức chế sẽ không được tính Điều này không khả quan với tốc độ quang hợp thực sự trong

hệ thống (Bechet et al., 2013)

Các biến trong mô hình I không tính toán được lượng tảo di chuyển giữa vùng sáng và vùng tối (chu trình ánh sáng ngắn), cũng như lượng ánh sáng giải phóng ra môi trường Ánh sáng dư thừa trong hệ thống quang hợp của tảo có thể làm giảm năng suất

Mô hình I giới hạn dải cường độ ánh sáng , nồng độ tế bào và không kể đến ảnh hưởng của tế bào khác nhau Vì thế, mô hình này không áp dụng được rộng rãi mà chỉ áp dụng trong 1 quy trình nhất định

• Mô hình loại II:

Mô hình này thể hiện sự phân bổ ánh sáng trong bể phản ứng quang sinh học Mô hình này sử dụng các vùng ánh sáng khác nhau với cường độ ánh sáng khác nhau để tính toán tốc độ tăng trưởng riêng biệt Mỗi khu vực này chịu ảnh hưởng của các trạng thái ánh sáng khác nhau (giới hạn, bão hòa, ức chế) của tế bào Kích thước của khu vực có thể chia từ centimet hoặc nhỏ hơn Vào thời điểm nồng độ sinh khối thay đổi và dẫn tới sự phân bổ ánh sáng khác nhau và tạo năng suất khác nhau của từng khu vực Mô hình II được sử dụng để dự đoán sự tăng trưởng khi sử dụng ánh sáng mặt trời, cũng như nguồn sáng nhân tạo

Thông số đầu vào: Mô hình II sử dụng mô hình toán để miêu tả tốc độ

sinh trưởng và phân bố ánh sáng Sự phân vùng có thể được biểu diễn bằng sự tích hợp hoặc tổng hợp thành các lớp dày Một số mô hình được mở rộng với sự phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và pH

• Mô hình loại III

Mô hình này theo dõi tảo thông qua các phản ứng, dựa trên đầu vào được tinh toán Bằng cách theo dõi sự biến đổi có thể xác định được sự ức chế ánh sáng, vùng tối, giới hạn dinh dưỡng và vấn đề gặp phải Ưu điểm lớn nhất là có thể áp dụng được loại mô hình này vào tất cả các hệ thống nhưng nhược điểm của nó cũng chính là nó quá phức tạp trong tính toán Eilers và Peeters (1988) đã

đề nghị mô hình này cho sự tăng trưởng của tảo liên quan tới quang hợp (PSU) Vào năm 1988 mô hình đầu tiên được giới thiệu và mở rộng ra bởi Eilers và Peeters (1998) và Wu – Merchunk (2001)

Hình 2.7 Mô hình bởi Eilers và Peeters (1988)

Mô hình này ở 3 trạng thái: (1) trạng thái mở, nghỉ, (2) trạng thái đóng, hoạt động, (3) trạng thái ức chế Ba trạng thái này diễn ra các trạng thái mà tảo có

thể xảy ra