Đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng bằng tảo Chlorelỉa vulgaris và loại bỏ tảo bằng ferrate

Tăng sinh khối tảo trên môi trường nước tổng hợp từ hoá chất và môi trường nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học.Xác định quá trình tăng trưởng của tảo thông qua thông số mật độ quang và hàm lượng chlorophylla.Lựa chọn mật độ tế bào cao nhất để phản ứng với ferrate.Xác định hiệu quả xử lý N — NH4l N — N03, p — P04 khi sử dụng tảo Chlorella vulgaris.Xác định hiệu quả xử lý tảo bằng ferrate thông qua thông số mật độ quang và hàm lượng chlorophylla.So sánh hiệu quả xử lý tảo bằng ferrate với phèn nhôm. Xác định hàm lượng ferrate và pH tối ưu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG NHẬT TÂN

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG BẰNG

TẢO CHLORELLA VULGARIS VÀ LOẠI BỎ TẢO BẰNG

HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Tiến Khôi

TS Đặng Vũ Bích Hanh Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Mai Tuấn Anh

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Bùi Xuân Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 18 tháng 01 nằm 2017

Thành phần Hộỉ đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Phước Dân (CT)

2 TS Nguyễn Xuân Dương (ƯV)

3 PGS.TS Mai Tuấn Anh (PB1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập ■ Tự do ■ Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG NHẬT TÂN

Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1991

Chuyên ngành: Kỳ thuật môi trường

MSHV:7140480 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định

Mã ngành: 60 52 03 20

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG BẰNG TẢO

CHLORELLA VULGARIS VÀ LOẠI BỎ TẢO BẰNG FERRATE

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tăng sinh khối tảo trên môi trường nước tổng hợp từ hoá chất và môi trường nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học

Xác định quá trình tăng trưởng của tảo thông qua thông số mật độ quang và hàm lượng chlorophyll-a

Lựa chọn mật độ tế bào cao nhất để phản ứng với ferrate

Xác định hiệu quả xử lý N — NH 4l N — N0 3 , p — P0 4 khi sử dụng tảo Chlorella vulgaris

Xác định hiệu quả xử lý tảo bằng ferrate thông qua thông số mật độ quang và hàm lượng chlorophyll-a

So sánh hiệu quả xử lý tảo bằng ferrate với phèn nhôm

- Xác định hàm lượng ferrate và pH tối ưu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

TS.ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH

Tp HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỞNG DẪN 2 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

(Họ tên và chữ ký)

Đe hoàn thành luận văn thạc sĩ, ngoài những cố gắng và nỗ lực của riêng bản thân, còn có sự hỗ trợ và giúp đỡ từ quý thầy cô, gia đình và bạn bè, tôi xin trân trọng cảm ơn:

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy, Cô hướng dẫn TS Trần Tiến Khôi và TS Đặng Vũ Bích Hạnh - người đã định hướng và truyền đạt những kiến thức quý báu, những kiến thức quý báu đó là nền tảng vững chắc cho tôi thực hiện luận văn này Ngoài ra, Thầy, Cô còn cho tôi lời khuyên kịp thời để giải quyết những vấn đề trong nghiên cứu gặp phải, cũng như đã tài trợ cho tôi kinh phí thí nghiệm Thầy, Cô là người đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, từ việc hướng dẫn trong quá trình làm thí nghiệm, thiết lập mô hình thí nghiệm, cho đến hướng dẫn viết bài và phân tích số liệu Tôi xin cảm ơn Thầy Cô đã luôn tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Môi Trường và Tài Nguyên - Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt tình truyền thụ kiến thức và chia sẻ những kinh nghiệm thực tế quý báu cho tôi trong suốt khoảng thời gian học tập tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban quản lý phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.HỒ Chí Minh đã hỗ trợ thiết bị phân tích cũng như bố trí phòng thí nghiệm riêng phù hợp với kế hoạch thực hiện luận văn

Sau cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối vói gia đình, người thân và bạn bè

đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần và đồng hành cùng tôi trong suốt khóa học

TP HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2016 TRƯƠNG NHẬT TÂN

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá sự tăng trưởng của tảo Chlorella vulgaris

trong môi trường nước thải sinh hoạt, việc xử lý N, p từ nguồn nước thải khi tảo tăng trưởng và khả năng keo tụ tảo bang ferrate Tốc độ tăng trưởng đặc thù |I trong môi trường F/2 và nước thải sinh hoạt lần lượt là 0,23 ngày_1 và 0,346 ngày Theo kết quả thí nghiệm, hiệu suất xử lý N-NH4, N-NO3 và P-PO4 lần lượt đạt là 89% - 93%, 64%- 76%, và 69% - 88%

Tiếp theo, để khảo sát hiệu quả keo tụ bằng ferrate thông qua 5 liều lượng ferrate (4 - 20 mgFe/L) và so với phèn nhôm cũng thí nghiệm trên 5 giá trị pH (5 - 9) và 5 liều lượng (4 - 20 mgAl/L) Kết quả thí nghiệm cho thấy pH 8 thích hợp nhất để loại bỏ tảo bang ferrate Trong điều kiện tối ưu, ferrate cho hiệu quả keo tụ tảo cao hơn phèn nhôm Tại hàm lượng 12 mg/L thì hiệu quả tách tảo đạt cao nhất (84% - 97%) Ket quả keo tụ cho thấy rằng việc sử dụng ferrate có khả năng tách tảo tốt hơn phèn nhôm và

sử dụng hàm lượng ít hơn

Từ kết quả của nghiên cứu, cho thấy việc sử dụng công nghệ vi tảo là một tiềm năng thay thế việc loại bỏ các chất dinh dưỡng bằng công nghệ sinh học Đồng thời,

việc sử dụng ferrate để loại bỏ tảo Chlorella vulgaris ra khỏi nước thải có nhiều lợi thế

hơn so với phèn nhôm như hiệu suất keo tụ cao lại sản sinh ra ít bùn hơn so với phèn nhôm

The objective of this study was to evaluate the growth of green algae Chlorella vulgaris on municipal wastewater, how well the algal growth removed nitrogen,

phosphorus and coagulation algae by ferrate The average special growth rates in the exponential period were 0.23 and 0.35 day _1 for medium F/2 and municipal wastewater, respectively The removal rates of N-NH4, N-NO3, and P-PO4 were 89%

- 93%, 64%- 76%, and 69% - 88%, respectively

The dosages of ferrate (4 - 20 mgFe/L), dosages of aluminium sulphate (5 - 25 mgAl/L) and pH range (5 - 9) were varied in order to investigate the effects of these factors on treatment performance The study demonstrates that pH 8 is the optimal pH

to remove algae Ferrate can higher remove algae than aluminium sulphate in the optimal pH condition The removal efficiency was 84% - 97% at 12 mgFe/L

The results of this study suggest that microalgae technology may be potentially alternative for removing organic substances by biotechnology Moreover, the

coagulation of ferrate removed Chlorella vulgaris cells was evaluated better and lower

dose than aluminium sulphate

Độc lập -Tự do - Hạnh phúc

-oOo—

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: TRƯƠNG NHẬT TÂN MSHV: 7140480

Ngày tháng năm sinh: 17/11/1991 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật môi truờng

Tên đề tài: Đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng bằng tảo Chlorelỉa vulgaris

và loại bỏ tảo bằng ferrate

Cán bộ huớng dẫn: TS.TRẦN TIẾN KHÔI

TS.ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những kết quả và số liệu trong luận văn chua đuợc ai công bố duới bất cứ hình thức nào Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm truớc Nhà truờng về sự cam đoan này

Tp HCM, ngày 26 thảng 12 năm 2016

TRƯƠNG NHẬT TÂN

Trang

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT V ABSTRACT vi

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH V DANH MỤC VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Giới thiệu về Chlorella vulgaris 3

2.1.1 Phân loại và tên khoa học 3

2.1.2 Đặc điếm của Chlorella vulgaris 3

2.1.3 Hình thức sinh sản của Chlorella vulgaris 5

2.2 Ánh hưởng của tảo đến môi trường 6

2.3 Các phương pháp loại bỏ tảo 6

2.3.1 Keo tụ - tạo bông 6

2.3.2 Lọc 8

2.4 Ferrate 9

2.4.1 Khái quát về ferrate 9

2.4.2 Tính chất hoá học 9

2.4.3 Phương pháp điều chế ferrate 12

2.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

2.5.1 Nghiên cứu trên thế giới 14

2.5.2 Nghiên cứu ở Việt Nam 18

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cửu 20

3.1 Nội dung nghiên cứu 20

3.2 Nguyên vật liệu 22

3.2.1 Tảo Chlorella vulgaris và môi trường nuôi cấy 22

3.2.2 Phương pháp phân lập và tăng sinh khối tảo 22

3.2.3 Mau nước thải 24

3.2.4 Ferrate 25

3.2.5 Phèn nhôm 25

3.2.6 Các thiết bị và dụng cụ 25

3.3 Mô hình nghiên cứu 25

3.3.1 Mô hình theo mẻ 25

3.3.2 Mô hình liên tục 26

3.4 Phương pháp phân tích 26

3.4.1 Phương pháp điều chế ferrate 26

3.4.2 Phương pháp xác định tăng trưởng của tảo 28

3.4.3 Phương pháp loại bỏ tảo 30

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

4.1 Kết quả điều chế ferrate 33

4.1.1 Dung dịch ferrate từ phương pháp oxy hóa ướt 33

4.1.2 Bột ferrate kết tinh 33

4.2 Quá trình tăng trưởng của tảo 33

4.3 Hiệu quả xử lý nước thải của tảo 39

4.4 Đánh giá khả năng loại bỏ tế bào tảo ra khỏi nước thải 48

4.4.1

Ảnh hưởng của pH khi xử lý tảo 49

4.4.2

Ảnh hưởng của hàm lượng khi keo tụ xử lý tảo 59

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

5.1 Kết luận 62

5.2 Kiến nghị 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 71

Trang Bảng 2.1: Thế oxy hoá của chất oxy hoá/khử trùng sử dụng trong xử lý nước và

nước thải 10

Bảng 2.2:ƯU và nhược điểm khi sử dụng làm chất keo tụ 12

Bảng 3.1: Môi trường nuôi tảo (F/2) 22

Bảng 3.2: Thông số nước thải sinh học sau xử lý sinh học 25

Bảng 3.3: Thiết bị, dụng cụ sử dụng trong đề tài 25

Bảng 3.4: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 26

Bảng 3.5:Liều lượng Ferrate (mgFe/L) thí nghiệm 31

Bảng 3.6: Liều lượng phèn nhôm (mgAl/L) thí nghiệm 32

Bảng 4.1: Tổng hợp mức tiêu thụ hóa chất và phát sinh chất thải khi điều chế ferrate bằng phương pháp oxy hóa ướt (tính trên 1 mẻ) 33

Bảng 4.2: Kết quả N-NH4, N-NO3 và P-PO4 còn lại sau 7 ngày 44

Bảng 4.3: Kết quả N-NH4, N-NO3 và P-PO4 còn lại sau 14 ngày 48

Trang

Hình 2.1: Sơ đồ thể hiện quá trình đồng hóa nitơ ở tảo 4

Hình 2.2: Giai đoạn hình thành của c.vulgaris 6

Hình 2.3: cấu trúc hoá học của kali ferrate 9

Hình 2.4: Sơ đồ oxy hoá của chất nền X với ferrate(VI) 11

Hình 3.1: Nội dung nghiên cứu 21

Hình 3.2: Sơ đồ phân lập và tăng sinh khối 23

Hình 3.4: Mô hình thực tế 24

Hình 3.5: Mô hình điều chế kali ferrate thực tế tại phòng thí nghiệm 27

Hình 3.6: Buồng đếm Neubauer, Trung Quốc 29

Hình 4.1: Sự tăng truởng của Chlorella vugaris khi nuôi cấy theo mẻ 35

Hình 4.2: Sự thay đổi pH theo sự tăng truởng của c vulgaris khi nuôi cấy theo mẻ 37

Hình 4.3: Sự tăng truởng của Chlorella vugaris khi nuôi cấy liên tục 38

Hình 4.4: Sự thay đổi pH theo sự tăng truởng của c vulgaris khinuôi cấy liên tục 39

Hình 4.5: Sự thay đổi hàm luợng của N-NH4 trong nuôi cấy theo mẻ 41

Hình 4.6: Sự thay đổi nồng độ của N-NO3 trong nuôi cấy theo mẻ 42

Hình 4.7: Sự thay đổi hàm luợng của N-NO2 trong nuôi cấy theo mẻ 43

Hình 4.8: Sự thay đổi hàm luợng của P-PO4 trong nuôi cấy theo mẻ 44

Hình 4.9: Sụ thay đối hàm luợng của N-NH4 trong nuôi cấy liên tục 45

Hình 4.10: Sụ thay đối hàm luợng của N-NO3 trong nuôi cấy liên tục 46

Hình 4.11: Sụ thay đối hàm luợng của N-NO2 trong nuôi cấy liên tục 47

Hình 4.12: Sụ thay đối hàm luợng của P-PO4 trong nuôi cấy liên tục 48

Hình 4.13: Hiệu quả xử lý tảo tại pH 5 50

Hình 4.14: Hiệu quả xử lý tảo tại pH 6 51

Hình 4.15: Hiệu quả xử lý tảo tại pH 7 52

Hình 4.16: Hiệu quả xử lý tảo tại pH 8 54

Hình 4.17: Hiệu quả xử lý tảo tại pH 9 55

Hình 4.18: Hiệu quả keo tụ tế bào tảo theo OD68O 57

Hình 4.19: Hiệu quả keo tụ tế bào tảo theo Chlorophyll-a 58

Hình 4.21: Hiệu quả tách tảo 61

ti

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, vi tảo đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải Vi tảo phát triển nhờ ánh sáng mặt trời nên làm giảm năng lượng đầu vào và cùng với việc

sử dụng CƠ2 để tăng trưởng của quá trình quang họp nên giảm được một lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính liên quan đến quá trình tái sử dụng nước thải Khi sử dụng công nghệ vi tảo còn mang lại khối lượng sinh khối tảo có giá trị, có thể sử dụng cho nhiên liệu sinh học, sản xuất phân sinh học [1], Các hệ thống xử lý nước thải bằng vi tảo sử dụng ao tảo tải cao (high rate alage pond - HRAP) đơn giản, ổn định và hoạt động tốt hơn các phương pháp khác như hệ thống bùn hoạt tính hoặc phân hủy yếm khí Công nghệ vi tảo còn đóng vai trò quan trọng cho việc phát triển bền vững của nông nghiệp đó là phân bón sinh học từ vi tảo cung cấp các chất dinh dưỡng cao cho cây trồng [2], Bên cạnh những ưu điểm trên thì công nghệ vi tảo lại bị cản trở bởi chi phí cao để loại bỏ tảo trước khi xả thải vào môi trường cũng như là chi phí cho việc thu hoạch vi tảo

Chlorella sp là loại vi tảo phổ biến được dùng trong xử lý nước thải do có khả năng

tồn tại cao trong môi trường bị ô nhiễm [3] Do đó, phương pháp để loại bỏ vi tảo sau quy trình xử lý nước thải là rất quan họng để tránh việc mật độ tảo cao trong môi trường nước cùng với nước thải chưa qua xử lý giàu chất hữu cơ, đặc biệt là nitơ và photpho

sẽ gây nên hiện tượng tảo nở hoa Tảo nở hoa là hiện tượng tảo phát triển với mức độ dày đặc, làm tăng độ màu, độ đục, làm giảm oxy trong môi trường nước, gây mùi khó chịu [4], Ngoài ra, khi tảo chết đi sẽ do vi khuấn phân huỷ hay do tác động hoá học đều tiêu hao một lượng oxy đáng kể và thải ra các khí độc cho các sinh vật sống trong môi trường nước, gây hại cho những quần xã sinh vật sống trên hoặc gần đáy biển Không những thế, với kích thước nhỏ nên tảo còn gây tắc nghẽn, một số loại tảo có thể đi qua màng lọc dẫn tới làm giảm chất lượng nguồn nước

Phương pháp thường dùng để tách tảo có thể được thực hiện bằng phương pháp tuyển nổi, lọc và keo tụ - tạo bông Phương pháp tuyển nổi thì đòi hỏi chi phí cao, công nghệ lọc chỉ thực sự được dùng khi thu hồi đối với các giống tảo có kích thước lớn như

Spirulina sp Quá trình ép chi phí thấp thì không được dùng để thu hoạch các loài vi tảo có kích thước nhỏ như Chlorella sp Quá trình keo tụ - tạo bông

được xem là phương pháp thu hồi sinh khối tảo tốt với chi phí họp lý Quá trình này chủ yếu dựa vào việc sử dụng các hóa chất có khả năng keo dính được các tế bào tảo đơn lẻ Trong khi keo tụ sẽ trung hòa hoặc đảo ngược điện tích giữa các tế bào tảo, thì đông tụ sẽ thúc đẩy quá trình kết dính các tế bào bằng cách tạo liên kết với vi tảo đã trung hòa Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu được tiến hành cho đến nay chủ yếu đánh giá tiềm năng của phèn nhôm hoặc các muối sắt để loại bỏ vi tảo

Ngày nay, ferrate được biết đến là một chất thân thiện với môi trường vì không tạo

ra sản phẩm phụ như THM, HAA, vừa là chất có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ, vừa có khả năng khử trùng Đồng thời, ferrate còn có khả năng keo tụ tốt và dễ kiểm

soát Từ những lý do trên, đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng bằng tảo

Chlorelỉa vulgaris và loại bỏ tảo bằng ferrate” được tiến hành nhằm đánh giá khả

năng loại bỏ tế bào tảo của ferrate là cần thiết

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Giống tảo Chlorella vulgaris được lấy tại Khoa Công

nghệ Sinh học, Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên TP.HỒ Chí Minh và được nuôi cấy tăng trưởng tại phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.HỒ Chí Minh

xử lý chất thải bậc cao sử dụng môi trường F/2 với nhiệt độ phòng 25°c, ánh sáng tự

nhiên

- Phạm vi nghiên cứu: Loại bỏ tế bào tảo bằng keo tụ với ferrate

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát hiệu quả loại bỏ tế bào tảo trong nước thải bằng phương pháp keo tụ với ferrate và hoàn thiện công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học hiếu khí kết họp tảo

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- ứng dụng ferrate loại bỏ tế bào tảo có mật độ cao

- Xử lý nước thải chứa một số loại tảo có đặc tính như Chlorella vulgaris

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu về Chỉoreỉỉa vulgaris

2.1.1 Phân loại và tên khoa học

Chi (genus): Chlorella

Loài (species): Chlorella vulgaris [5]

2.1.2 Đặc điểm của Chlorella vulgaris

Chlorella vulgaris là một chi của tảo lục đơn bào (vi tảo), thuộc ngành Chlorophyta,

tồn tại được trong môi trường cả nước lợ và nước mặn cũng như là trong điều kiện môi

trường khắc nghiệt [6], c vulgaris có dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10 pm,

không có tiên mao và không có khả năng di chuyển chủ động [7], Mỗi tế bào có cấu trúc gồm nhân thật, hạch tạo bột, lục lạp và ti thể với vách tế bào chủ yếu là cellulose

bao bọc c vulgaris có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang họp chlorophyll-a và b trong lục lạp c vulgaris có khả năng kết họp quang tự dưỡng và dị dưỡng được gọi là tạp dưỡng Thông qua quá trình quang họp c vulgaris phát triển nhanh chóng chỉ cần lượng

khí carbon dioxide, nước và lượng nhỏ chất khoáng, chất hữu cơ (N, P), biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành họp chất hữu cơ đơn giản để nó sinh trưởng và phát triển [8],

Đối với các loại vi tảo để đạt được sinh khối cao nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng cho hệ thống nuôi kín hoặc mở Sự phát hiển của vi tảo đạt cao

nhất khi nhiệt độ từ 25°c đến 30°c Trong đó, nhiệt độ tối ưu của phần lớn tảo là 25°c

Cùng vói nhiệt độ thì ánh sáng và pH là hai nhân tố quan họng ảnh hưởng đến quá trình

quang họp của tảo Tảo Chlorella sp có khả năng tăng trưởng với khoảng pH rộng từ

4 đến 10 và đạt sinh khối cao nhất tại pH 9 - 1 0 [9] Theo nghiên cứu của Qitao Gong cùng cộng sự [10] với cường độ ánh sáng 3960 lux và không kiểm soát pH thì mật độ

tế bào tảo c vulgaris đạt giá trị cao nhất Với pH 10 và cường độ chiếu sáng 7920 lux

thì tảo c vulgaris đạt mật độ tế bào cao nhất

Ngoài ra, c vulgaris còn sử dụng carbon, nitơ, photpho trong nước thải để tăng

trưởng Carbon cần thiết cho sự quang hợp và tăng trưởng của tảo Đối với vi tảo tự dưỡng sẽ cố định carbon dùng cho hô hấp, sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc nguyên liệu cho sự tăng trưởng Chúng sử dụng carbon vô cơ để thực hiện quang hợp Carbon tồn tại ở ba dạng: CO2, carbonat (Cơf-), bicarbonat (HCOỵ ) cho tăng trưởng

của vi tảo tự dưỡng và ở dạng acetate hoặc glucose cho sự phát triển của vi tảo dị dưỡng Ngoài ra, trong môi trường nước, CO2 có thể tồn tại ở bất kì các dạng nêu trên phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và thành phần dinh dưỡng theo phản ứng sau:

Khi pH tăng, carbonat (Cơf-) tăng trong khi phân tử CO2 và bicarbonat (HCOj)

giảm [11], Kết quả nghiên cứu của Bio cùng cộng sự [12] cho thấy rằng với tỉ lệ

CO2/O2 là 2% (tốc độ sục khí + CO2 là 200L/h) và tại 30°c thì c vulgaris đạt sinh

khối cao hơn khi nhiệt độ đạt 25°c Khi nhiệt độ đạt 35°c thì lưu lượng khí CO2 thấp

hơn nhiệt độ ở 30°c dẫn tới nồng độ bicarbonate (HCO 3 ) thấp hơn Điều này chứng tỏ

rằng khả năng hòa tan của CO2 giảm khi nhiệt độ tăng làm cho quá trình quang hợp và

sản xuất sinh khối giảm ở 35°c Còn đối với vi tảo dị dưỡng sẽ sử dụng nguồn hữu cơ

như glucose, axit hữu cơ đơn giản, và với vi tảo tạp dưỡng thì sẽ sử dụng đồng thời cả

hai dạng trên [13],

Bên cạnh đó, nitơ là chất dinh dưỡng quan trọng cần thiết cho sự phát triển của tất

cả các loài sinh vật Nitơ hữu cơ như peptit, protein, enzyme, chlorophyll, phân tử chuyển năng lượng (ADP, ATP) và các vật liệu di truyền (RNA, DNA) có nguồn gốc

từ nitơ vô cơ bao gồm nitrat (NO 3 ), nitrit (N0 2 ), axit nitric (HNO3), amoni (NH 4 ),

amonia (NH3) và khí N2 Vi tảo đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đối nitơ vô

cơ thành nitơ hữu cơ thông qua quá trình đồng hóa được thể hiện ở hình 2.1.

Quá trình đồng hóa diễn ra ở các loại tảo có nhân, nitơ vô cơ ở dạng nitrat, nitrit và amoni Theo hình 2.1 , sự chuyển hóa của nitơ vô cơ diễn ra ở màng tế bào với quá trình oxy hóa khử nitơ và tổng hợp amoni thành axit amin Quá trình chuyển hóa nitrat và nitrit đều cần có reductase Khử nitrat đuợc tạo ra thông qua giảm NADH (adenine nictinamide dinucleotide) để cho 2 electron làm cho nitrat thành nitrit Nitrit tạo thành amoni qua quá trình khử nitrit và ferredoxin (Fd) để trao đổi tổng cộng 6 electron Nhu vật, tất cả nitơ vô cơ khử thành amoni truớc khi tổng họp thành axit amin trong nội bào Cuối cùng, glutamate (Glu) và ATP (adenosine triphosphate) đuợc dùng để tổng họp amoni thành glutamine axit amin Do đó, amoni là phản ứng oxy hóa khử không liên quan đến sự đồng hóa của tảo và vì vậy đòi hỏi ít năng luợng hơn Nói chung, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tảo có xu huớng sử dụng amoni hơn nitrat và việc sử dụng nitrat không diễn ra cho đến khi amoni đuợc sử dụng hết Chính vì vậy, nuớc thải có nồng độ amoni cao đuợc sử dụng để nuôi tảo [13, 14],

Trong quá trình chuyển hóa năng luợng của vi tảo, photpho cũng là một yếu tố quan trọng đuợc tìm thấy trong các axit nucleic lipid, protein và các chất trung gian của quá trình chuyển hóa carbonhydrate Photpho vô cơ có vai trò quan trọng trong quá trình

tăng truởng tế bào tảo, trao đổi chất và chủ yếu duới dạng H 2 POỊ và HPOỊ~ đuợc tổng

họp thành họp chất hữu cơ bằng quá trình phosphoryl hóa Không những vậy, photpho hữu cơ cũng đuợc tạo thành do liên quan đến việc hình thành ATP từ ADP (adenosine disphotphate) Việc tạo thành ATP cần có năng luợng đầu vào và năng luợng này là hệ thống vận chuyển điện tử của ty thể, hoặc quang họp Vì thế, tảo sử dụng photpho vô

cơ và photpho ở dạng este hữu cơ để phát triển [13]

2.1.3 Hình thức sinh sản của Chlorella vulgaris

c vulgaris sinh sản vô tính, trong vòng 24 giờ, một tế bào trong điều kiện tối uu sẽ

tụ động nhân lên hình thành bào tử [15] Bào tử sẽ tăng nhanh về kích thuớc nhờ các sản phẩm sinh tổng họp Sau đó tế bào mẹ buớc vào quá trình phân chia và nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng tối Cuối cùng, màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử đuợc phóng thích ra ngoài và tiếp tục theo vòng đời: sinh truởng - truởng thành - thành thục - phân chia Các mãnh vỡ sẽ đuợc dùng làm thức ăn cho các bào tử mới hình thành (hình 2.2) [16]

Hình 2.2: Giai đoạn hình thành của c.vulgaris

a Giai đoạn tế bảo tăng trưởng ban đâu

b Giai đoạn tế bào tăng trưởng chậm

c Giai đoạn phân chia lục lạc

d Giai đoạn đầu phân chia nguyên hình

e Giai đoạn hoàn thành phân chia nguyên hình

f Giai đoạn hình thành tế bào con trưởng thành

g Giai đoạn hình thành tảo [16]

2.2 Ảnh hưởng của tảo đến môi trường

Tảo là thực vật thuỷ sinh có các kích cỡ khác nhau Trong môi trường nước, tảo là một liên kết chính trong chuỗi thức ăn thuỷ sản và là thức ăn cho các động vật phù du Ngoài ra, tảo cũng giải phóng oxy vào trong nước để cá và các động vật thuỷ sinh khác

sử dụng Tuy nhiên, khi các quần thể tảo phát triển 0 ạt hay còn gọi là hiện tượng tảo

nở hoa Đây là hiện tượng tự nhiên xảy ra do mật độ tế bào tảo gia tăng lên đến hàng triệu tế bào/lít làm biến đổi màu của nước xanh lục đậm hơn hoặc chuyển sang vàng đậm Hầu hết các loài tảo nở hoa thường đưa đến hậu quả làm cho môi trường xấu đi, hàm lượng oxy hòa tan suy giảm nhanh chóng, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của thủy sinh vật Ở khu vực ôn đối, tảo nở hoa xuất hiện chủ yếu vào mùa hè và mùa thu Đối với khu vực nhiệt đới thì hầu như xuất hiện tất cả các mùa trong năm Hiện tượng tảo nở hoa ngày càng tăng, do hồ giàu dinh dưỡng (nitơ, photpho, ), nước

xả thải đô thị, nước nông nghiệp và những dạng ô nhiễm khác [17]

2.3 Các phương pháp loại bỏ tảo

2.3.1 Keo tụ - tạo bông

Trong xử lý nước, keo tụ - tạo bông là bước quan trọng trong loại bỏ tảo Quá trình này cần cung cấp nhiều hoá chất để làm mất sự on định của các hạt bằng cách trung hoà điện tích trên bề mặt của chúng Hoá chất thường được sử dụng là muối nhôm và muối sắt Hiệu quả loại bỏ tảo phụ thuộc vào liều lượng hoá chất và pH

Tảo Tetraselmis suecica và Chlorococcum sp được keo tụ bằng nhôm hoặc sắt (III)

sulphate mà không cần điều chỉnh pH Hàm lượng từ 3 - 5 mg/L hoặc 0,1 mmol/m2 của

Al3+hoặc Fe3+đã loại bỏ được hơn 90% tế bào tảo chỉ sau 5 phút lắng Đối với tảo

Nannochloropsis salina, Dunaliella tertiolecta và Isohrỵsis galbana cần keo tụ 2 lần

mới đạt được hiệu quả tương tự Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ion Al3+ và Fe3+

là ion hiệu quả trong việc loại bỏ tảo [18],

Theo Dan Liu và cộng sự [19] sử dụng hỗn hợp tro có tính axit với Fe304 để loại bỏ tảo độc trong nước ngọt bằng quá trình keo tụ Kết quả cho thấy hơn 99% tế bào tảo được loại bỏ trong vòng 5 phút sau khi bổ sung chất keo tụ với hàm lượng tối ưu 200 mg/L Hiệu suất xử lý COD, TN và p lần lượt là 93%, 91% và 94% Đồng thời, nhóm cũng đưa ra nhận xét là phương pháp keo tụ là phương pháp loại bỏ tảo nhanh chóng và hiệu quả, giúp giảm thiểu đáng kể hiện tượng phú dưỡng hoá bằng cách sử dụng chất keo tụ

Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Flaten [20] thì nếu trong nước có chứa hơn lmg/L hàm lượng nhôm là nguyên nhân dẫn đến bệnh Alzheimer ở người Ngoài ra, khi sử dụng nhôm sẽ tạo ra một khối lượng lớn bùn và do đó tốn chi phí khi xử lý [ 21 ].

Không những thế, xử lý nước cấp còn kết hợp với chất oxy hoá nhằm mục đích kiểm soát sự phát triển của màng sinh học, khử mùi, khử màu, nâng cao hiệu quả của keo tụ và tạo bông Hoá chất thường dùng là chlorine, ozone và chlorine dioxide và kali permanganate

Hiệu quả của chlorine, ozone và chlorine dioxide được Sukenik cùng cộng sự tiến

hành nghiên cứu trên tảo Scenedesmus sp [22], Khả năng tăng trưởng và hàm lượng

chlorophyll giảm và hàm lượng chất hữu cơ hoà tan tăng khi tăng nồng độ chất oxy hoá Tiền xử lý với chlorine dioxide (1,3 hay 5 mg/L) hoặc ozone (2,6; 4,6 hay 8,1 mg/L) trong môi trường nuôi tảo làm tăng khả năng keo tụ tảo của nhôm, trong khi tiền khử trùng bang chlorine với 10 hay 20 mg/L sẽ phải tăng hàm lượng nhôm lên 15%

Qiaohui Shen và cộng sự [23] đã loại bỏ tảo từ nguồn nước cấp bằng quá trình keo

tụ với chlorine và vói 0,3 mg/L kali permanganate Ket quả cho thấy mật độ tảo tăng khi tăng nhiệt độ nước Khi mật độ tảo thấp hơn 1 X 106 tế bào/L thì lượng keo tụ 13 mg/L sẽ loại bỏ được hơn 98% Khi mật độ tảo hơn 10 X 106 tế bào/L thì loại

bỏ được 96% hoặc cao hơn khi sử dụng keo tụ và với lượng chlorine khoảng 20

mg/L hoặc 4 mg/L

Tuy nhiên, việc sử dụng các chất oxy hoá cần lượng hoá chất cao, thời gian phản ứng lâu và hình thành sản phảm phụ như THM, chlorite, Hơn nữa, việc dùng ozone đối với nước có chứa Brom sẽ làm hình thành bromate gây ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người [24],

2.3.3 Tuyển nổi

Tuyển nổi là giải pháp thay thế cho lắng và có khả năng tách được các hạt keo tụ mật độ thấp Tuyển nổi khí hoà tan (Dissolved-air flotation DAF) thường được lựa chọn Đặc trưng của DAF là có các bọt khí được tạo ra khi giảm áp suất trong dòng nước bão hoà với không khí Khi áp suất giảm các bọt khí sẽ kéo các hạt keo tụ nổi lên trên bề mặt DAF giúp loại bỏ được các tế bào tảo DAF loại bỏ được 1,8-log của tảo

Aphanizomenon và Microcystis với quy mô pilot Kết quả đạt được tương tự (1,4 - 2,0

log) khi chuyển sang quy mô full-scale Tuy nhiên, hiệu suất loại bỏ lại phụ thuộc vào

độ pH, liều lượng hóa chất sử dụng, thời gian keo tụ [26], Ngoài ra, chi phí đầu tư, bảo dưỡng thiết bị cao, đòi hỏi kỹ thuật khi vận hành, cấu tạo phức tạp và quá trình kiểm soát áp suất khó khăn

Các phương pháp trên vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm do đó cần nghiên cứu với các phương pháp khác để khắc phục các vấn đề cần tồn tại Vì vậy, đề tài sử dụng ferrate (VI) để đánh giá khả năng loại bỏ tảo Ferrate (VI) là một chất oxy hoá mới vì có thế oxy hoá mạnh trong dung dịch axid là +2,20 V và +0,72V trong dung dịch cơ bản Ngoài

ra, Ferrate (VI) cũng là chất thân thiện với môi trường và không tạo ra sản phấm phụ độc hại

2.4 Ferrate

2.4.1 Khái quát về ferrate

Sắt thường ở trạng thái tự do hoặc trong trạng thái oxi hoá Fe(II) hoặc Fe(III) Tuy nhiên, ở điều kiện oxi hoá cao sắt tồn tại ở dạng Fe(IV), Fe(V) và Fe(VI), thậm chí là Fe(VII) Trong đó, Fe(VI) tồn tại ở dạng muối ferrate(VI) là chất oxi hoá mạnh có công

thức phân tử là FeOị~, dung dịch có màu tím trong môi trường kiềm và được phát hiện

vào năm 1702 [27], Gần đây, ferrate (VI) kết họp với nhiều cation như K, Na, Ba, Li,

Rb, Cs, Ag(I) và một vài muối ammonium tetralkylaryl [27, 28], Đặc trưng cho muối ferrate (VI) là kali ferrate (VI) - chất oxy hoá thân thiện với môi trường vì có tính ổn định cao, thế oxy hoá cao và tạo ra sản phẩm không độc hại ở dạng Fe(III) [29], Kali ferrate (Potassium ferrate (VI) hoặc Dipotassium ferrate) có công thức

K 2 FeO A , MW = 198,0392 g/mol, có màu tím đậm gần giống màu đen và phân huỷ ở

200°c giải phóng khí oxy [28], Kali ferrate ở dạng tinh thể, có cấu trúc tứ diện ferrate

(VI) với 4 nguyên tử oxy và Fe ở trung tâm của quá trình oxy hoá +6 (hình 2.3) [30]

4K2Feơ4 + 10H 2 0 ^ 4Fe(OH ) 3 + 30 2 + 8KOH (2.1)

Đối với môi trường axit (2) và kiềm (3) thì diễn ra các phản ứng như sau:

FeOỈ~ + 8H + + 3e“ <-> Fe 3+ + 4H 2 0,E° = +2,20 V (2.2) FeOị- + 4H 2 0 + 3e“ <-> Fe 3+ + 5OH~,E° = +0,72 V (2.3)

Từ phương trình (2.1 - 2.3), ion ferrate (VI) sẽ phân huỷ thành ion Fe (III) hoặc ferric hydroxide là những dạng sản phẩm không độc hại trong quá trình xử lý Trong điều kiện axit, thế oxy hoá của ferrate (VI) cao hơn so với các chất oxy hoá thông thường như permanganate, ozone, hydrogen peroxide và hypochlorite (bảng 2.1) Do đó, kali ferrate có the oxy hoá hiệu quả các thành phần hữu cơ hơn

Bảng 2.1: Thế oxy hoá của chất oxy hoá/khử trùng sử dụng trong xử lỷ nước và nước thải [32]

Ngoài ra, quá trình oxy hoá của chất nền X kết hợp ferrate (VI) xảy ra theo hình

2.4 và chuyển hoá hoàn toàn thành chất ổn định ở dạng kết tủa Theo hình 2.4 thì [33]:

(i) Ferrate (VI) phản ứng trực tiếp với X, nhận 1 electron tạo thành Fe(V) và

X* Sau đó, Fe(V) oxy hoá với X tạo thành chất nền oxy hoá X(O) và Fe(IH) khi nhận 2 electron; tạo thành Fe(VI) và X* khi nhận 1 electron;

(ii) Ferrate (VI) phản ứng với X, nhận 2 electron hình thành Fe(IV);

(iii) Ferrate (VI) chuyển giao nguyên tử (OAT - oxygen atom transfer) với X tạo

thành Fe(IV) và xo Fe(IV) tiếp tục phản ứng với X, nhận 1 electron tạo

thành Fe(III), nhận 2 electron sẽ tạo thành Fe(II)

Hình 2.4: Sơ đồ oxy hoá của chất nền X với ferrate(VI) [33]

b Tính keo tụ

Oxy hoá các họp chất hữu cơ và vi khuẩn trong nuớc, ion ferrate (VI) sẽ tạo thành ion Fe(III) hoặc ferric hydroxide, và điều này tạo ra chất keo tụ Theo Waite và Gray [34] đã thục hiện thí nghiệm jartest đối với nuớc hồ đuợc thêm đất sét vào để tăng độ đục Ket quả cho thấy khả năng loại bỏ độ đục tăng khi hàm luợng ferrate (VI) là 5 mg/L

và độ đục giảm khi tăng hàm luợng ferrate Khi ferrarte kết họp với phosphate thì độ đục giảm đạt 95%, trong khi kết họp với carbonate và nuớc cất thì độ đục giảm đạt 79%

và 84% theo thứ tụ Và khi có sụ xuất hiện của phosphate sẽ giúp ferrate tăng khả năng keo tụ

Ngoài ra, khi so sánh kali ferrate (VI) với NaOCl kết họp với ferric sulphate (FS) hay alum (AS) thì ferrate (VI) có khả năng loại bỏ uv254_abs và DOC hơn FS khi dùng bằng luợng hoá chất nhu nhau Tại pH=6, ferrate (VI) đạt 10-15% loại bỏ uv254.abs so với sử dụng FS vói hàm luợng từ 8 và 14mg/L Còn tại pH=8, ferrate(VI) giảm hơn 20%

uv254_abs và 10-20% DOC hơn FS khi sử dụng hàm luợng từ 4 - 18 mg/L Bên cạnh đó, THMFP giảm hơn 100 (ig/L khi dùng với luợng ferrate thấp [35],

Theo Bartzatt và cộng sự [36] thì kali ferrate có thể loại bỏ kim loại như Fe2+, Fe3+,

Mn2+ và Cu2+ và các kim loại nặng độc hại như Pb2+, Cd2+, Cr3+ và Hg2+ với hàm lượng

sử dụng từ 10 - 100 mg/L

Từ những tính chất trên, những ưu - nhược điểm khi dùng ferrate (VI) như là chất keo tụ được tổng hợp ở bảng 2.2

Bảng 2.2:ƯU và nhược điểm khi sử dụng làm chất keo tụ

a Oxy hoá khô

Phương pháp oxy hoá khô là phương pháp cũ để điều chế muối ferrate nhưng cách

này lại rất nguy hiểm và khó vì dễ gây ra cháy no ở nhiệt độ cao Muối kali ferrate hoặc natri ferrate được điều chế bằng cách nung hỗn hợp oxit sắt và kali peroxide ở 350 -

370°c, hoặc dùng quá trình oxy hoá của oxit sắt với natri peroxit ở 370°c, trong điều

kiện dòng oxy hoá khô liên tục Sản phẩm chứa FeOị ngay lập tức thuỷ phân tạo thành FeOị khi hoà tan trong nước và cho sản phấm màu đỏ tím (phương trình 2.4):

Điều chế ferrate (VI) từ chất thải xi mạ theo phương trình 2.5 Nước thải được trộn

với oxit sắt trong lò nung 800°c và mẫu được làm lạnh và khuấy vói Na202 rắn

và đun nóng từ từ trong một vài phút Hỗn họp tan chảy và được làm mát, kết quả hình thành muối natri ferrate

Fe 2 0 3 + 3Na 2 0 2 -» 2Na 2 FeO A + Na 2 0 (2.5)

b Điện phân

Nguyên tắc cơ bản chuẩn bị muối ferrate (VI) bằng phương pháp điện phân được thể hiện từ phương trình 2.6 - 2.9 sắt là cực dương, hoà tan và oxy hoá với K2Fe04 khi hàm lượng KOH cao được dùng làm chất điện phân

Với mật độ dòng điện 3 mA/cm2 và nhiệt độ điện phân 30°c thì thu được 40% sản

phẩm Hàm lượng carbon cao trong vật liệu ở cực dương sẽ làm tăng việc hình thành ferrate Đạt 70% khi sử dụng thiết bạc có thành phần carbon 0,9% Nhưng hiệu quả sẽ

giảm 12% khi cùng một điều kiện nhưng sử dụng họp kim có hàm lượng carbon 0,08%

Bên cạnh đó, dung dịch NaOH 14M được xem là chất điện phân tối ưu Khi điện cực

dùng sắt nguyên chất (99,95%), chất điện giải NaOH 14M và nhiệt độ điện phân 40°c, biên độ 88 mA/cm2, tần số 50 Hz thì tạo được 43% ferrate

c Oxy hoá ướt

Phương pháp oxy hoá ướt là quá trình oxy hoá sắt có chứa dung dịch tạo thành ferrate (VI) trong môi trường kiềm cao Quá trình như sau: đầu tiên là hình thành natri ferrate từ phản ứng sắt clorua với NaClO có mặt NaOH, sau đó thêm KOH vào để hình thành kali ferrate Phản ứng như sau:

Fe 3+ + 30H~ Fe(ơ//)3

2Fe(ơ//) 3 + 3NaClO + 4 NaOH 2Na 2 Feơ 4 + 3NaCl + 5H 2 0

Na 2 Fe0 4 + 2KOH F2 Feơ 4 + INaOH

Tuy nhiên, kết quả của quá trình này chỉ tạo ra được 10-15% ferrate Do đó, để khắc phục vấn đề này, KOH được dùng để thay thế cho NaOH và không hình thành các sản phẩm trung gian Do đó, độ tinh khiết của kali ferrate đạt từ 80 - 90% và sản lượng tăng lên đến 75% Vì vậy, đây là phương pháp giúp điều chế ferrate nhanh giúp tiết kiệm thời gian và thu được sản phẩm với độ tinh khiết cao

2.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.5.1 Nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu về tảo đang được quan tâm rất nhiều Ngoài các nghiên cứu về lợi ích, ảnh hưởng độc tố phát sinh từ tảo ảnh hưởng đến động vật và con người thì các phương pháp xử lý tảo ra khỏi nước thải cũng được quan tâm rất nhiều

Mark w Tenney và cộng sự (1969) [37] sử dụng polyelectrolyte hữu cơ tổng họp

để loại bỏ tảo Chlorella và Scenedesmus ra khỏi nước và nước thải bằng keo tụ Ket quả

cho thấy keo tụ tảo xảy ra khi bổ sung các cation polyelectrolyte Cơ chế keo tụ với tảo

là do hiện tượng cầu nối giữa các tế bào tảo với chuỗi polymer bao phủ bề mặt tảo Ket quả thí nghiệm chỉ ra rằng điều kiện tối ưu để tiến hành keo tụ tảo là vào cuối pha log

và đầu pha cân bằng Tiếp theo đó, vào năm 1977, Ruth Yadidia cùng cộng sự [38] so

sánh hiệu quả xử lý tảo tại phòng thí nghiệm với Fe304 và tại bể oxy hoá tải trọng cao

của tảo Scenedesmus obliquus sử dụng Fed Cả hai thí nghiệm đều đạt trên 90% khi liều

lượng FeCl là 5 - 13 ppm và 500 - 1200 ppm Fe304

Vào năm 2002, chitosan được Ravi Divakaran và Pillai [39] sử dụng để keo tụ ba

tảo nước ngọt Spirulina, Oscillatoria, Chlorella và một tảo nước lợ Synechocystis trong

phạm vi pH 4 - 9 , nồng độ chlorophyll-a trong khoảng 80 - 800 mg/m3 Độ đục 10-100 NTU Kết quả cho thấy hiệu quả đạt 90% khi pH = 7 và hàm lượng chitosan 5 mg/L Ngoài ra, khi hàm lượng chitosan 15 mg/L giúp loại bỏ hoàn toàn các chất lơ lửng Cùng

năm này, Jun Ma và Wei Liu [40] đánh giá khả năng loại bỏ tảo Chlorella, Spirogyra, Chlorococoum và Scenedesmus bằng tiền xử lý với ion ferrate (VI) kết họp với keo tụ

sunfat nhôm Ket quả cho thấy tiền xử lý với kali ferrate trước sẽ nâng cao việc keo tụ tảo bang sunfat nhôm Hiệu quả xử lý đạt hên 80% tại hàm lượng 5 mg/L K2Fe04 và 60 mg/L [A12(S04)3.18H20]

Ignacio de Godos và cộng sự (2011) [41] đánh giá khả năng của hai chất keo tụ hoá học (FeCl3 và Fe2(SQ4)3) và năm chất keo tụ polymer thương mại (Drewfloc

447, Flocudex CS/5000, Flocusol CM/78, Chemifloc CV/300 và Chitosan) để loại bỏ

sinh khối tảo - vi khuẩn từ nước thải chăn nuôi heo Ba giống tảo thuần (Chlorella sorokiniana, Scenedesmus obliquus và Chlorococcum sp.) và một giống vi tảo được

phân lập từ hồ ổn định, giống tảo này có cộng sinh với một tập đoàn vi khuẩn được dùng làm mô hình cộng đồng tảo - vi khuẩn để đánh giá quá trình keo tụ tạo bông Kết quả cho thấy rằng tách sinh khối cao nhất (66 - 98%) khi sử dụng muối sắt với hàm lượng

150 - 250 mg/L Hiệu quả giảm khi sử dụng chất keo tụ polymer quá nhiều

Đối với nhóm nghiên cứu của Naruetsawan Sanyano [42] thì thu hồi tảo Chlorella

sp trong môi hóa chất tổng họp BG-11 bang aluminium sulfate và ferric chloride Hiệu quả keo tụ tối ưu (99,65%) khi sử dụng aluminium sulfate là tại hàm lượng 152 mg/L với pH 6 và thời gian lắng là 60 phút Đối với ferric chloride thì hiệu quả keo tụ tối ưu (99,98) tại hàm lượng 143 mg/L tại pH 8,1 với thời gian lắng là 40 phút Điều này rõ ràng khẳng định được rang ferric chloride keo tụ tốt hơn phèn nhôm

Bên cạnh sử dụng phương pháp keo tụ để xử lý tảo thì việc sử dụng lọc từ tính hay màng lọc MF cũng được nghiên cứu Hung và Liu [43] sử dụng màng MF hoạt động ở

chế độ luồng chéo dọc để loại bỏ tảo Chlorella sp Áp lực xuyên màng (TMP -

transmembrane pressure) được điều chỉnh với các thông số 40, 50 và 60 kPa Vận tốc luồng chéo dọc được đặt ở mức 0,43 m/s ở tầng lưu và 0,84 m/s cho dòng chảy xiết Ket quả cho thấy dòng chảy tăng khi TMP tăng từ 40 - 50 kPa Nhưng dòng chảy mạnh nhất khi TMP 60 kPa Tuy nhiên dòng chảy chéo dọc không cải thiện khi TMF cao nhất Tiền

xử lý bang ozone làm tăng carbon hữu cơ hoà tan, làm giảm sức sống của tảo và làm giảm kích thước tế bào tảo Ngoài ra, cũng làm tăng polysaccharide hoà tan có nguồn gốc từ các chất hữu cơ ngoại bào (EOM - extracellular organic matter) Do đó, khi sử dụng ozone hoá trước sẽ cải thiện hiệu quả lọc Tuy nhiên, polysaccharide hoà tan sẽ được hấp thụ lên màng lọc, nên cần sử dụng chất chống tắc nghẽn màng lọc Đối với

Duu-Jong Lee cùng cộng sự [44] thì tách tảo Chlorella vulgaris kết họp keo tụ và màng

lọc Trong nghiên cứu này, tế bào tảo bị keo tụ sử dụng chitosan và được lọc bằng màng PTFE (polytetrafluoroethylene) với thông lượng 1 bar Ket quả cho thấy rằng, khi lọc trực tiếp bằng màng PTFE thì sẽ gây nên hiện tượng tắt nghẽn nghiêm trọng Do đó, cần

phải kết họp với quá trình keo tụ Với hàm lượng 50 mg/L chitosan thì hiện tượng tắt nghẽn trên màng lọc giảm nhưng thông lượng qua màng không cao Với hàm lượng 100 mg/L chitosan thì keo tụ hoàn toàn tế bào tảo, không gây hiện tượng tắt nghẽn màng và khả năng làm việc của màng sau khi làm sạch đạt trên 95%

Song song với các nghiên cứu xử lý tảo thì tảo cũng được nghiên cứu vào xử lý

nước thải như: Tam và Wong (1989) [45] sử dụng 2 loài vi tảo Chlorella pyrenoidosa

và Scenedesmus sp nuôi trong môi trường nước thải sau lắng 1 và nước thải sau xử lý

bậc 2 bằng bùn hoạt tính nhằm nghiên cứu khả năng giảm chất dinh dưỡng có trong nước thải Tốc độ tăng trưởng cao khi cấy với mật độ tảo cao và tế bào tảo trong nước thải thứ nhất cao hơn trong nước thải thứ 2 Khi tảo bắt đầu phát triển thì cả nitơ và photpho trong nước thải đều giảm đáng kể Tỷ lệ loại bỏ rất nhanh trong tuần tăng trường đầu tiên và giảm hơn 2/3 lượng N và p ban đầu Sau tuần thứ nhất, tỷ lệ loại bỏ chậm lại Kết thúc nghiên cứu, hơn 80% TP và N vô cơ có trong nước thải, nhưng hiệu quả loại bỏ trong nước thải 1 thấp hơn trong nước thải 2 Ngoài ra, kích thước tế bào tảo cao

sẽ giúp giảm N và p cao hơn, và tế bào tảo của Chlorella tốt hơn Scenedesmus

Cũng sử dụng tảo Scenedesmus và Chlorella, Hammouda và cộng sự (1995) [46]

tiến hành nghiên cứu trên nước thải thuỷ sản Ket quả xử lý COD, BOD, N, p và NH3

đạt 100% Ngoài ra, kim loại nặng như Fe, Mn, Co, Ni, Cr, Zn và Cd giảm, đạt 52,3% khi sử dụng hệ thống hoạt động theo mẻ, đạt 64,2% khi hệ thống hoạt động liên tục Đối với nước thải dệt nhuộm thì Sing-Lai Lim cùng cộng sự (2010) [47] sử dụng

tảo Chlorella vulgaris để nghiên cứu Nhóm sử dụng 4 bể nuôi tảo tải trọng cao chứa

nước thải dệt nhuộm hoặc thuốc dệt nhuộm Sinh khối đạt từ 0,17 đến 2,26 mg chlorophyll-a/L giúp loại bỏ màu đạt từ 41,8% đến 50% Hiệu quả loại bỏ N-NH4 từ 44,4 - 45,1%, P-PO4 33,1 - 33,3%, COD 38,3 - 62,3%

Chlorella vulgaris cũng được nghiên cứu trong môi trường nước thải nhân tạo để lay lipid Yujie Feng và cộng sự [48] tiến hành nuôi Chlorella vulgaris theo mẻ và liên

tục chu kỳ 14 ngày với 1,5 L môi trường thì cần 0,5 L tảo, pH duy trì từ 8 đến 10 Khi mật độ tế bào đạt 0,8 g/L vào ngày thứ 4 của nuôi theo mẻ sẽ là đầu vào của nuôi liên tục với thời gian lưu là 4 ngày Sau đó sẽ thay đối hàm lượng tảo ban đầu của nuôi theo

mẻ là 1 L và 1,5 L Ket quả nghiên cứu cho thấy rằng, vói mật độ

tế bào thấp (0,05 g/L) thì vào ngày thứ 2 nuôi theo mẻ, hiệu quả xử lý COD đạt 87%,

N-NH4 đạt 97% và TP đạt 96% Đối với nuôi liên tục thì hiệu quả xử lý COD đạt 85% - 88% theo sự thay đổi hàm lượng tảo trong môi trường, N-NH4 đạt 97% và TP đạt 92%

Đối với nhóm nghiên cứu của Jinsoo Kim (2013) [49] thì sử dụng Chlorella vulgaris để xử lý ion ammonia/ammonium (NH 3 /NH^) và ion orthophosphate (Pơ|_) từ nước thải sinh hoạt sau khi xử lý bậc 2 Nhóm thực hiện với hai nguồn nước thải có nồng

độ NH 3 /NH£ và POỊ~ khác nhau Thí nghiệm một Wi với nồng độ đầu vào thấp:

NH 3 /NH£ = 8,05 ± 0,16 mg/L, Pơ|_ = 1,85 ±0,1 mg/L và pH = 7,34 ± 0,05 Thí nghiệm hai W2 với nồng độ đầu vào: NH3 / N H % = 18,31 ± 0,53 mg/L, POỊ- = 1,37 ± 0,01 mg/L

và pH = 7,88 ± 0,07 Kết quả cho thấy rằng, nồng độ NH 3 /NH£ và POị~ được xử lý

hoàn toàn nhanh chóng trong vòng 48 giờ (hiệu quả xử lý 100%) với mật độ tế bào ban đầu 350 mg/L và khí CO2 được cung cấp để gia tăng tốc độ tảo phát triển và tốc độ hấp thụ N, p

Ngoài nghiên cứu trên từng loại nước thải thì Liang Wang cùng nhóm nghiên cứu

(2009) [50] dùng tảo Chloreỉỉa sp để đánh giá khả năng phát triển trên 4 loại nước thải

đô thị Đó là (1) nước thải trước khi xử lý bậc 1, (2) nước sau lắng 1, (3) nước sau bể bùn hoạt tính và (4) nước sau khi ly tâm bùn Tốc độ tăng trưởng trung bình theo cấp số nhân là 0,412; 0,429; 0,343 và 0,948/ngày theo thứ tự của từng loại nước thải (1) - (4) Hiệu quả loại bỏ N-NH4 đạt 82,4%, 74,7% và 78,3% cho loại nước thải (1), (2) và (4) Đối với nước thải (3) thì N-NO3 đạt 62,5% là dạng chính của nitơ vô cơ, loại bỏ được 6,3 lần N-NO2 được tạo thành, về photpho thì đạt 83,2%, 90,6% và 85,6% đối với nước thải (1), (2) và (4) và COD cũng loại bỏ đạt 50,9%, 56,5% và 83% Tuy nhiên, đối với nước thải (3) p chỉ đạt 4,7% và COD lại tăng nhẹ sau khi tảo phát triển do sự bài tiết của các phân tử hữu cơ do tảo quang họp Các ion kim loại, đặc biệt là Al, Ca, Fe, Mg và

Mn đạt hiệu quả loại bỏ trên 80%

Không dừng lại ở các loại nước thải thông thường, Chlorella vulgaris được nhóm

nghiên cứu Qiao-Hui Shen (2015) [51] sử dụng để xử lý nước nhiễm mặn Khối lượng khô của c vulgaris được duy trì 1,5 g/L với nồng độ muối trong nước thải Pong khoảng

từ 0 - 50 g/L Ket quả nghiên cứu cho thấy rằng, hiệu quả xử lý TN đạt 92,2 - 96,6% và

TP đạt trên 99% sau khi nuôi theo mẻ 20 ngày

2.5.2 Nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam ngoài các nghiên cứu về tảo như định danh, phân lập, tìm hiểu về ảnh hưởng của độc tố tảo thì việc sử dụng tảo vào mục đích xử lý nước thải trong những năm gần đây cũng có sự quan tâm nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu của Võ Thị Kiều Thanh (2012) [52] sử dụng tảo Chlorella sp và

Daphnia sp vào loại bỏ chất thải hữu cơ từ nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý bằng

UASB Mau nước thải sau khi xử lý yếm khí và hiếu khí từ trại chăn nuôi lợn Đồng

Hiệp, TP.HỒ Chí Minh có hàm lượng COD: 430 mg/L, BOD5: 174 mg/L, nitơ tổng số (TN): 538 mg/L, photpho tổng số (TP): 191 mg/L được pha loãng 4 lần với nước máy đem nuôi tảo 9 ngày, ở điều kiện ánh sáng 1000 lux, nhiệt độ 28°c sinh khối tảo đạt 107

tế bào/mL, hàm lượng COD trong nước thải từ quá trình chăn nuôi lợn giảm 65,8 -

88,2%; BOD giảm 61,4 - 84%; TN giảm 87,4 - 90,18% đạt tiêu chuẩn xả thải của Việt

Nam; chỉ có hàm lượng TP có hiệu quả xử lý là 47,7 - 56,15%, nhưng hàm lượng còn lại cao 18,9 - 100 mg/1 chưa đạt tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam Tốc độ sinh trưởng

của Daphnia sau 16 ngày nuôi trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn đã qua 9 ngày

nuôi tảo là 0,18 (IM : 2NM) và 0,23 (IM : 3NM) không đạt được bằng nuôi mẫu đối

chứng 0,37/ngày Sau 16 ngày nuôi Daphnia trên nước thải đã nuôi tảo Chlorella 9 ngày,

hàm lượng COD, BOD5 giảm không đáng kể từ 10 - 15%, nitơ tổng và photpho tổng còn lại lần lượt là 5 mg/L và 3,39 mg/L Có nghĩa là hàm lượng TN và TP tiếp tục giảm lần lượt đến 94,15%, 80% và đạt tiêu chuẩn xả thải

Nhóm nghiên cứu của Tuấn (2012) [53] khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nuôi hồng trong phòng thí nghiệm như tốc độ sục khí CO2, nồng độ dinh dưỡng nitơ, cường

độ ánh sáng đến năng suất sinh khối và hàm lượng lipid trên vi tảo Chlorella vulgaris

Kết quả cho thấy với ánh sáng 7000 lux, 600 mgNH4Cl/L và tốc độ sục khí 20 mL C02/phút kết họp sục 650 mL không khí/phút là điều kiện để thu được lipid cao phù họp cho mục tiêu sản xuất biodiesel Ngoài ra, nhóm còn thử nghiệm nuôi hồng trong nước thải hầm biogas cho thấy c.vulgaris sinh trưởng tốt, đồng thời có khả năng xử lý nước

thải N tống giảm từ 24,7 mg/L còn 3,5 mg/L p tống giảm từ 35,39 mg/L còn 31,05 mg/L

Đối với nước thải từ ao nuôi cá tra được Trần Chấn Bắc (2013) [54] sử dụng để

nghiên cứu kỹ thuật nuôi sinh khối tảo Chlorella sp Ket quả nghiên cứu cho thấy

tảo phát triển tốt trong nước thải ao cá tra đạt mật độ và sinh khối cao nhất vào ngày thứ

3, hàm lượng N — NO 3 giảm từ 5,49 mg/L còn 0,26 mg/L, N — NH£ từ 0,782 mg/L còn 0,042 mg/L và p — POỊ~ từ 0,97 mg/L còn 0,11 mg/L với hiệu quả tương ứng là 95,27%,

43,48% và 88,66%

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu của Dương Thị Hoàng Oanh [55] nghiên cứu khả năng

xử lý nước thải của tảo Spirulina platenis với 4 nghiệm thức: nước thải từ ao cá tra, nước

thải từ hầm ủ biogas, nước thải sinh hoạt và nghiệm thức đối chứng nuôi tảo bằng môi

trường Zarrouk Ket quả cho thấy rằng, tảo S.platenis có khả năng phát triển tốt trong

các môi trường nước thải và mật độ cao nhất lần lượt của các nghiệm tức 1, 2, 3, 4 là

48440 cá thể/mL, 56110 cá thể/mL, 87780 cá thể/mL và 112000 cá thể/mL Vào cuối

chu kỳ nuôi, nghiệm thứ 1 tảo làm giảm lượng COD đạt 66,5%, POị- 98,4%, TAN

98,1% và /VƠ3- 66,6% Nghiệm thứ 2 là 43,1% COSD, 49,7% Pơ|-, 98,1% TAN và

71,03% /VƠ3- Nghiệm thức thứ 3 là 72,5% COD, 98,1% POỊ~, 96,2% TAN và 76,1%

NO 3 với thời gian lưu là 15 ngày

Bên cạnh các nghiên cứu trên thế giới thì ở Việt Nam các nghiên cứu về tảo chỉ mới dừng lại ở sử dụng tảo vào xử lý nước thải mà chưa có sự tìm hiểu về cách loại bỏ tảo

ra khỏi nước hay nước thải Do đó, nghiên cứu này tiến hành đánh giá khả năng xử lý tảo bang ferrate

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cửu 3.1 Nội dung nghiên cứu

Đe đánh giá hiệu quả tách tảo trong nước thải sinh hoạt bang ferrate và so sánh hiệu quả này với hiệu quả tách tảo bằng hóa chất truyền thống là phèn nhôm Đồng thời, đánh

giá hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt bằng tảo Chlorella vulgaris Nội dung nghiên cứu được thể hiện ở hình 3.1, bao gồm:

(1) Khảo sát quá trình tăng trưởng của tảo c vulgaris trong môi trường hóa chất

tổng hợp F/2 và môi trường nước thải Kết quả từ quá trình này được dùng để quyết định mật độ tảo cũng như thời gian thu hoạch tảo để thực hiện các nội dung nghiên cứu tiếp theo

(2) Khảo sát hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt bằng tảo

với c vulgaris, trong đó nước thải 1 và nước thải 2 với hàm lượng đầu vào khác

nhau Hàm lượng đầu vào của nước thải 1 thấp hơn nước thải 2 Mau nước được lấy sau khi qua xử lý sinh học

(3) Điều chế ferrate dùng cho thí nghiệm keo tụ

(4) Khảo sát hiệu quả keo tụ bằng phèn nhôm và ferrate trong môi trường F/2 với 5 giá trị pH và 5 liều lượng khác nhau (5 - 30 mgAl/L và 4 - 20 mgFe/L) để xác định được pH tối ưu sử dụng cho thí nghiệm trong môi trường nước thải (5) Thí nghiệm tối ưu, sử dụng pH tối ưu từ (3) để xác định liều lượng tối ưu của phèn nhôm cũng như ferrate khi tách tảo ra khỏi nước thải Hiệu quả xử lý được đánh giá thông qua các chỉ tiêu: mật độ quang (OD) và hàm lượng chlorophyll-

a Từ kết quả thu được, so sánh hiệu quả keo tụ bằng phèn nhôm và ferrate

Hình 3.1: Nội dung nghiên cứu

3.2 Nguyên vật liệu

3.2.1 Tảo Chlorella vulgaris và môi trường nuôi cấy

Đối tượng nghiên cứu là tảo Chlorella vulgaris Giống tảo này được lấy tại

Khoa Công nghệ Sinh học, trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên TP.HỒ Chí Minh và được nuôi cấy tăng trưởng trong phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.HỒ Chí Minh xử lý chất thải bậc cao sử dụng môi trường F/2 [56] với các thành phần được thể hiện ở bảng 3.1

Bảng 3.1: Môi trường nuôi tảo (F/2)

Quá trình phân lập và nuôi cấy được thực hiện theo hình 3.2

Tảo được nuôi bằng môi trường F/2 được thể hiện trong bảng 3.1 Mẩu nước chứa

tảo được cấy vào môi trường thạch F/2 trong đĩa petri Đĩa petri này được đặt trong tủ vô

trường vô trùng trong 2 - 3 tuần Tảo phát triển được kiểm tra dưới kính hiển vi để xác định có bị lây nhiễm hay không Neu tảo bị nhiễm thì quá trình phân lập quay lại từ đầu (hình 3.2)

Hình 3.2: Sơ đồ phân lập và tăng sinh khối

Tốc độ tăng trưởng của tảo được xác định thông qua chỉ tiêu Chlorophyll-a và OD Quá trình tăng sinh khối tảo được thể hiện như trong hình 3.3 c vulgaris được nuôi

với tỷ lệ 1/20 (v/v) trong 250 mL bình tam giác chứa 100 mL môi trường F/2 đã được hấp vô trùng Bình tam giác dùng để nuôi cấy được đặt ở nhiệt độ phòng 25°c, sử dụng

ánh sáng mặt trời và được lắc hằng ngày bằng máy lắc để tránh trường họp tảo bị dính

ở thành đáy bình tam giác Trong môi trường F/2, c vulgaris phát triển nhanh chóng

trong thời gian từ 6 đến 9 ngày Còn đối với môi trường nước thải thì c vulgaris phát

triển nhanh chóng trong thời gian từ 4 đến 6 ngày Khi tế bào tảo vào pha cân bằng sẽ

được sử dụng để nuôi cấy ở giai đoạn trung gian với thể tích từ 4 đến 20 lít và được đưa

vào mô hình tĩnh với kích thước 30 X 35 X 60 (cm), vật liệu bằng kính để đạt được thể tích cao hơn sử dụng cho thí nghiệm

Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016

Mẩu trữ

10 L

50 L

Hình 3.3: Quy trình tăng sinh khối tảo

a Tảo c vulgaris trong môi trường F/2 b Tảo c vulgaris trong nước thải sinh hoạt

Hình 3.4: Mô hình thực tế

3.2.3 Mầu nước thải

Nước thải sinh hoạt được lấy sau khi qua xử lý sinh học N — NH£, N — N 0 3 ,

P-PO4 được xác định theo SMEWW Method

Nước thải sinh hoạt được lấy sau khi qua xử lý sinh học Sau đó, tảo c vulgaris

được tiến hành nuôi vói hai loại nước thải có hàm lượng khác nhau, trong đó nước thải

1 có hàm lượng thấp hơn nước thải 2 Thông số nước thải đầu vào được trình bày trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Thông số nước thải sinh học sau xử lý sinh học

3.2.5 Phèn nhôm

Phèn nhôm A12(S04)3.18H20 được sử dụng có xuất xứ từ Trung Quốc, được cung cấp bởi công ty Guangdong Guanghua Sci - Tech Co., Ltd

3.2.6 Các thiết bị và dụng cụ

Các thiết bị, dụng cụ chuyên dùng được liệt kê ở bảng 3.3

Bảng 3.3: Thiết bị, dụng cụ sử dụng trong đề tài

á 3.3 Mô lình nghiên cứu