Nghiên cứu ứng dụng của tảo spirulina platensis xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng

Đồ án được thực hiện nhằm tìm hiểu mức độ xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải sinh hoạt mà cụ thể là dựa vào chỉ số COD, hàm lượng NNH4+, NNO2, NNO3, PPO43 là các thông số khảo sát hiệu quả xử lý nước thải khi sử dụng Tảo Spirulina platensis làm vi sinh vật hấp thụ các chất gây ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt. Bên cạnh đó, đề tài còn nghiên cứu phát triển thêm khả năng hấp thu kim loại nặng như sắt, đồng…của vi tảo nhằm tìm ra hướng tối ưu loại bỏ các thành phần độc hại có trong nước thải. Hơn nữa, đề tài cũng khảo sát các yếu tố môi trường nhân giống, nuôi trồng và phát triển sinh khối tảo nhằm tạo điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình xử lý.

LỜI CẢM ƠN

Đi suốt chặng đường dài bốn năm Đại học ngồi trên ghế nhà trường em đã trảiqua biết bao nhiêu cảm xúc của một thời sinh viên, đây đã là giai đoạn cuối em cònđược bên cạnh thầy cô và bạn bè Ngẫm lại em thấy mình đã trưởng thành hơn rấtnhiều, có lẽ em đã thấm thía những lời dạy bảo nghiêm khắc mà ngọt ngào, chanchứa tình yêu thương của thầy cô Lời tri ân của em muốn gửi tới các thầy giáo, côgiáo bao nhiêu ngòi bút nét mực có thể chứa đủ đây! Sau khi kết thúc thời gian 14

tuần thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng của tảo

Spirulina platensis xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng”, em cảm

thấy mình đã trải nghiệm được nhiều điều quý báu, nhất là kỹ năng thực hiện cácthao tác trong thực nghiệm và cách vận dụng kiến thức vào thực tiễn, có cơ hội họchỏi kinh nghiệm, phương pháp luận của các thầy cô giáo và cách tập trung làm việchiệu quả từ bạn bè Và hơn thế, đồ án tốt nghiệp không chỉ có ý nghĩa đánh dấu mốcquan trọng trong cuộc đời sinh viên mà còn là cơ hội giúp em rõ hơn về lĩnh vựcmôi trường mà em đã, đang và sẽ theo đuổi

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo Ths.Trần Minh Dũng và thầy giáo Nguyễn Thế Hùng đã chỉ bảo tận tình, trực tiếphướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án Thầy giáo đã giúp

em bổ sung các khía cạnh, yếu tố, nội dung còn thiếu và khắc phục những sai sóttrong quá trình tiến hành thí nghiệm cũng như quá trình viết bài

Xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn hóa – Phòng thí nghiệmhóa đã tạo điều kiện cho em thực hiện tốt các thí nghiệm phục vụ cho đồ án củamình

Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa môi trường đã giảng dạy đầytâm huyết và luôn hết sức tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên tiếp thu và lĩnh hộiđầy đủ kiến thức trong quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ án

Cuối cùng, em bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới sự cổ vũ, khuyến khích, động viêncủa gia đình, những người thân và những người bạn, họ cũng đã luôn sát cánh cùng

em trong suốt thời gian học tập và dành cho em những tình cảm tuyệt vời trong quátrình thực hiện đồ án này

Do kiến thức và thời gian còn hạn hẹp nên bản thân em cùng với đồ án vẫn còn

có những sai sót, vướng mắc Rất mong quý thầy cô và các bạn góp ý kiến và chỉbảo!

Sinh viên Phan Thị Hoài Cẩm

DANH MỤC BẢ

Bảng 1: Các thông số và phương pháp phân tích

Bảng 1- 2: Thành phần đặc trưng trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý 2

Bảng 1- 3: Thành phần tương đối của nước thải sinh hoạt bình thường 4

Y Bảng 3- 1: Dụng cụ thí nghiệm 38

Bảng 3- 2: Thành phần hóa chất sử dụng trong môi trường SOT 54

Bảng 3- 3: Kết quả phân tích chất lượng nước thải lấy mẫu ở cống xả vào 57

Bảng 4- 1: Dãy đường chuẩn hàm lượng P 71

Bảng 4- 2: Hiệu suất xử lý các thành phần trong nước thải của 74

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 1- 1: Biến động nhiệt độ của các bể nuôi cấy tảo Spirulina xử lý nước thải 65

Đồ thị 1- 2: Biến động pH của các bể nuôi cấy tảo Spirulina xử lý nước thải 66

Đồ thị 1- 3: Kết quả cân khối lượng tảo trong các bể nuôi cấy tảo Spirulina 67

Đồ thị 1- 4: Kết quả đếm mật độ tảo trong các bể nuôi cấy tảo Spirulina 68

Đồ thị 1- 5: Kết quả đo hàm lượng NO3 - (mg/l) 69

Đồ thị 1- 6: Kết quả đo hàm lượng NO2 - (mg/l) 70

Đồ thị 1- 7: Kết quả đo hàm lượng NH4 + (mg/l) 71

Đồ thị 1- 8: Đường chuẩn xác định hàm lượng P 72

Đồ thị 1- 9: Kết quả tính toán hàm lượng PO4 3- (mg/l) 72

Đồ thị 1- 10: Kết quả đo COD (mg/l) 73

Đồ thị 1- 11: Kết quả đo hàm lượng sắt 74

DANH MỤC HÌNH

Hình 2-1: Tảo Spirulina platensis nhiều vòng xoắn 22

Hình 2-2: Tảo Spirulina platensis ít vòng xoắn 22

Hình 3-1: Máy sủi khí 35

Hình 3-2: Ống dẫn khí và củ sục khí 35

Hình 3-3: Kính hiển vi quang học 36

Hình 3-4: Buồng đếm hồng cầu 36

Hình 3-5: Thiết bị lọc sử dụng hút chân không 36

Hình 3-6: Cấu tạo thiết bị lọc 36

Hình 3-7: Giấy lọc vi sinh vật kích thước > 47mm 36

Hình 3-8: Thiết bị Troll 9500 37

Hình 3-9: Mô hình thí nghiệm 37

Hình 3-10: Máy HACH DR5000 37

Hình 3-11: Cuvet thể tích 10ml 37

Hình 3-12: Thuốc thử Nitra Ver 5 39

Hình 3-13: Thuốc thử Nitra Ver 3 39

Hình 3-14: Các hóa chất pha hỗn hợp thuốc thử xác định hàm lượng P 40

Hình 3-15: Thuốc thử Ferrover Iron 40

Hình 3-16: Hoá chất phân tích COD 40

Hình 3-17: Thiết bị Troll 9500 41

Hình 3-18: Ống phân tích COD 42

Hình 3-19: Chuẩn độ mẫu 43

Hình 3-20: Buồng đếm hồng cầu 43

Hình 3-21: Cấu tạo buồng đếm 44

Hình 3-22: Quy tắc đếm vi sinh vật trên lưới 44

Hình 3-23: Cách nhỏ dung dịch chứa tảo vào phòng đếm 45

Hình 3-24: Quan sát tảo dưới kính hiển vi quang học 45

Hình 3-25: Hình dạng tảo thu được dưới kính hiển vi 45

Hình 3-26: Thiết bị lọc sử dụng hút chân không 46

Hình 3-27: Giấy lọc vi tảo kích thước 47mm trở lên 46

Hình 3-28: Tủ sấy tảo 46

Hình 3-29: Cân 4 số cân tảo 46

Hình 3-30: Giấy lọc sau sấy (chưa có tảo) 47

Hình 3-31: Sấy giấy lọc tảo 47

Hình 3-32: Cân giấy lọc sau sấy 47

Hình 3-33: Cốc đong chứa 10ml tảo (có đánh số) 47

Hình 3-34: Lọc tảo 48

Hình 3-35: Đĩa petri đựng giấy lọc tảo sau lọc 48

Hình 3-36: Hút ẩm giấy lọc tảo trước khi cân 48

Hình 3-37: Tảo giống Spirulina platensis thuần chủng 53

Hình 3-38: Tảo giống và môi trường SOT nuôi cấy tảo 53

Hình 3-39: Lấy mẫu nước thải 55

Hình 3-40: Sục mẫu nước thải làm bay hơi khí clo 56

Hình 3-41: Nuôi cấy và nhân giống tảo trong phòng thí nghiệm kỹ thuật môi trường (Bể 1) 60

Hình 3-42: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng gấp 5-10 lần cho phép trước xử lý (Bể 2 và 3 61

Hình 3-43: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng gấp 5-10 lần cho phép sau xử lý (Bể 2 và 3) 61

Hình 3-44: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng đậm đặc trước xử lý (bể 4) 62

Hình 3-45: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng đậm đặc sau xử lý (bể 4) 62

Hình 3-46: Bể nước thải bị nhiễm sắt trước xử lý (bể 5) 63

Hình 3-46: Bể nước thải bị nhiễm sắt sau xử lý (bể 5) 63

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1

1.1 Nước thải sinh hoạt 1

1.1.1 Nguồn gốc 1

1.1.2 Thành phần tính chất của nước thải 2

1.1.3 Tác hại đến môi trường 4

1.1.3.1 Tác hại của Nitơ trong nước thải 5

1.1.3.2 Tác hại của photpho 7

1.1.3.3 Tác hại của kim loại nặng như Fe, Cu…trong nước thải 7

1.1.4 Một số thông số đánh giá chất lượng nước thải sinh hoạt 7

1.1.4.1 Độ pH 8

1.1.4.2 Hàm lượng các chất rắn 8

1.1.4.3 Oxi hòa tan 8

1.1.4.4 Chỉ số BOD 8

1.1.4.5 Chỉ số COD 9

1.1.4.6 Chỉ số N, P 9

1.1.4.7 Chỉ số vệ sinh (E.coli) 9

1.2 Các phương pháp xử lí nước thải sinh hoạt 9

1.3 Phương pháp sinh học xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng 10

1.4 Hệ vi sinh vật trong nước thải 11

1.5 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải 12

1.6 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo 14

CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA TẢO SPIRULINA PLATENSIS TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 17

2.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina 17

2.1.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina trên thế giới 17

2.1.2 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina tại Việt Nam 18

2.2 Giới thiệu chung về chủng tảo lam Spirulina 21

2.2.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina 21

2.2.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam Spirulina 22

2.2.2.1 Đặc điểm sinh lý 22

2.2.2.2 Đặc điểm sinh hóa 23

2.3 Tảo lam Spirulina platensis 25

2.4 Đặc điểm sinh học của tảo Spirulina platensis 26

2.4.1 Phân loại tảo 26

2.4.2 Hình dạng và cấu tạo 26

2.4.3 Chu kỳ sinh sản 26

2.4.4 Chu kỳ sinh trưởng của tảo 26

2.5 Các yếu tố môi trường trong bể nuôi tảo 27

2.5.1 Ánh sáng 27

2.5.2 Nhiệt độ 28

2.5.3 pH 28

2.5.4 Dinh dưỡng 29

2.5.4.1 Đạm 29

2.5.4.2 Lân 29

2.5.4.3 Kali 30

2.5.4.4 Các thành phần vi lượng 30

2.6 Các phương pháp nuôi tảo 31

2.7 Một số ứng dụng của tảo Spirulina 32

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA TẢO SPIRULINA PLATENSIS 35

3.1 Chuẩn bị và thiết kế mô hình thực nghiệm 35

3.1.1 Chuẩn bị thực nghiệm 35

3.1.1.1 Dụng cụ thí nghiệm 35

3.1.1.2 Hóa chất thí nghiệm 38

3.2 Phương pháp xác đinh các thông số nghiên cứu 41

3.2.1 Xác định pH và nhiệt độ 41

3.2.2 Xác định COD (nhu cầu oxy hóa học) 41

3.2.3 Xác định mật độ vi tảo Spirulina platensis trong thời gian nuôi cấy 43

3.2.4 Xác định khối lượng vi tảo Spirulina platensis qua từng đợt 46

3.2.5 Xác định hàm lượng amoni, nitrat, nitrit, photphat 48

3.2.5.1 Xác định hàm lượng amoni 48

3.2.5.2 Nitrat 49

3.2.5.3 Xác định hàm lượng Nitrit 50

3.2.5.4 Xác định hàm lượng photphat 51

3.2.5.5 Xác định hàm lượng Sắt 52

3.3 Vật liệu thí nghiệm 52

3.3.1 Chủng giống nghiên cứu 53

3.3.2 Môi trường nuôi cấy tảo 53

3.4 Tiến trình thí nghiệm 54

3.4.1 Nội dung thí nghiệm 54

3.4.2 Đối tượng thí nghiệm 55

3.4.2.1 Mẫu nước thí nghiệm 55

3.4.2.2 Lấy mẫu nước thải 55

3.4.2.3 Thực trạng ô nhiễm các nguồn nước thải khu vực lấy mẫu 58

3.4.3 Các mô hình thí nghiệm 58

3.4.4 Nguyên tắc vận hành mô hình 58

3.5 Mô tả thí nghiệm 59

3.6 Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn 63

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 65

4.1 Kết quả theo dõi và giám sát các yếu tố môi trường 65

4.1.1 Về nhiệt độ 65

4.1.2 Về giá trị pH 66

4.2 Kết quả theo dõi sự phát triển sinh khối của tảo trong các mẫu nước phân tích trong thời gian 15 ngày thí nghiệm 67

4.3 Kết quả theo dõi và đo đạc các thông số trong các mẫu nước thải phân tích 69

4.3.1 Về hàm lượng NO 3 - 69

4.3.2 Về hàm lượng NO 2 - 70

4.3.3 Về hàm lượng NH 4 + 71

4.3.4 Về hàm lượng PO 4 3- 71

4.3.5 Về COD 73

4.3.6 Về hàm lượng sắt 74

4.4 Tổng kết hiệu suất xử lý nước thải 74

4.5 Đánh giá 75

4.6 Ước tính chi phí kinh tế 76

4.6.1 Lợi ích về môi trường 76

4.6.2 Lợi ích kinh tế 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

KẾT LUẬN 79

KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Quy chuẩn Việt Nam 82

Tài liệu tiếng Việt 82

Tài liệu tiếng Anh 83

MỞ ĐẦU

Việt Nam đang tiến trên con đường hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do đó quátrình công nghiệp hóa, hiện đại hóa không ngừng phát triển, và đô thị hóa là quátrình xảy ra tất yếu Dân số gia tăng không ngừng nên các khu dân cư tập trung dầnđược quy hoạch và hình thành Nước thải sinh hoạt là sản phẩm từ quá trình sinhhoạt của con người, số lượng cũng như chất lượng nước thải ngày càng có xu hướngtrái chiều nhau Trong khi nguồn nước sinh hoạt thải ra với lưu lượng ngày cànglớn, nhất là tại các khu vực Đô thị lớn, dòng nước thải chưa được xử lý không còn

có thể pha loãng bằng nước ao hồ, sông ngòi lại ở trong tình trạng ô nhiễm nặng nềlàm ô nhiễm cả nước mặt lẫn nước ngầm Bên cạnh đó, tình trạng ngập nước trêncác tuyến đường, nước thải chảy tràn lan qua hệ thống sông ngòi, kênh rạch…ảnhhưởng đến cảnh quan môi trường và cuộc sống của chúng ta Việc bảo vệ và sửdụng hợp lý nguồn nước để cung cấp cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất, đápứng nhu cầu hiện tại và thỏa mãn nhu cầu của tương lai có ý nghĩa hết sức to lớn.Hiện nay, việc quản lý nước thải trong đó bao gồm nước thải sinh hoạt là mộtvấn đề cấp thiết của các nhà quản lý môi trường trên thế giới nói chung và ViệtNam nói riêng Vì vậy, nhằm cải thiện môi trường và phát triển theo hướng bềnvững cần có hệ thống thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt

Với mong muốn môi trường sống và chất lượng sống ngày càng được nâng cao,vấn đề quản lý nước thải sinh hoạt ngày càng chặt chẽ hơn phù hợp với sự phát triểntất yếu của xã hội và cải thiện đáng kể nguồn nước đang bị suy thoái nên đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng Tảo Spirulina Platensis trong xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng” được thực hiện Việc nghiên cứu tảo Spirulina platensis để xử lý

nước thải ô nhiễm hữu cơ là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải hàm lượngnitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và phát triển của

tảo Hơn nữa tảo Spirulina platensis là một loại tảo có chu kỳ phát triển khá nhanh

nên quá trình Tảo xử lý các thông số đặc trưng trong nước thải sinh hoạt như Tổngnito, tổng Photpho, hàm lượng COD…khá rõ rệt

Bên cạnh đó, vi tảo Spirulina platensis không những loại bỏ hiệu quả các hợp

chất của N, P mà còn có khả năng hấp thu tốt các kim loại nặng độc hại có trongnước thải như sắt, đồng hiệu quả loại bỏ chúng từ 70% trở lên Việc xử lý nước

bằng vi tảo lam Spirulina platensis vừa có hiệu quả cao, vừa giảm chi phí thực hiện

và không ảnh hưởng đến môi trường

Phạm vi nghiên cứu

Thời gian nghiên cứu: từ ngày 01/10/2014 đến ngày 05/12/2014

Tìm hiểu thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt để từ đó đưa ra phươngpháp xử lý hiệu quả nhất

Nghiên cứu đặc điểm, tính chất của vi sinh vật Tảo Spirulina platensis có khả năng

xử lý nước thải

Mục tiêu đề tài

Đồ án được thực hiện nhằm tìm hiểu mức độ xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nướcthải sinh hoạt mà cụ thể là dựa vào chỉ số COD, hàm lượng N-NH4 , N-NO2-, N-

NO3-, P-PO4-3 là các thông số khảo sát hiệu quả xử lý nước thải khi sử dụng Tảo

Spirulina platensis làm vi sinh vật hấp thụ các chất gây ô nhiễm trong nước thải

sinh hoạt Bên cạnh đó, đề tài còn nghiên cứu phát triển thêm khả năng hấp thu kimloại nặng như sắt, đồng…của vi tảo nhằm tìm ra hướng tối ưu loại bỏ các thànhphần độc hại có trong nước thải Hơn nữa, đề tài cũng khảo sát các yếu tố môitrường nhân giống, nuôi trồng và phát triển sinh khối tảo nhằm tạo điều kiện thuậnlợi nhất cho quá trình xử lý

Nội dung nghiên cứu

Đồ án bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau:

 Tìm hiểu về nguồn gốc, thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt

 Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt: phươngpháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học

 Tìm hiểu các thông tin khoa học về VSV trong xử lý nước thải theo côngnghệ hiếu khí bao gồm: chủng loại VSV, quá trình sinh trưởng và phát triển, cácđiều kiện cần thiết cho sự phát triển của chúng

 Tìm hiểu về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp xử lý hiếu khí

 Thu thập các thông tin liên quan đến loài Tảo Spirulina platensis có đặc tính

phù hợp với kỹ thuật xử lý nước thải

 Tìm hiểu về khả năng hấp thụ kim loại nặng của vi tảo

 Xây dựng mô hình thí nghiệm: vật liệu, kích thước, chi tiết cấu tạo mô hình,trang thiết bị, hóa chất và các thành phần bổ sung quan trọng sử dụng cho quá trìnhnhân giống, nuôi trồng và phát triển sinh khối tảo trong bể chứa nước thải sinh hoạt

 Các bước tiến hành thí nghiệm, ghi nhận các thông số khảo sát

 Thống kê kết quả, tính toán hiệu suất xử lý và nhận xét hiệu quả, khả năng

xử lý nước thải sinh hoạt bằng Tảo Spirulina platensis.

 Kết luận và đưa ra quan điểm về đồ án

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp luận

Thành phần chính của nước thải sinh hoạt chứa một lượng lớn các chất hữu cơ dễ

bị phân hủy (hydracacbon, protein, chất béo, chất tẩy rửa…), các chất vô cơ dinhdưỡng (photphat, nito) cùng với vi khuẩn (có thể cả VSV gây bệnh), trứng giun,sán.v.v…

Nếu không được xử lý trước khi thải bỏ thì khả năng gây ô nhiễm môi trường làkhông thể tránh khỏi

Phương pháp cụ thể

Đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:

 Phương pháp thực tế: Thu thập, xử lý và tổng hợp các tài liệu cần thiết cóliên quan đến đề tài

 Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện đã tham khảo có liên quan

 Phương pháp phân tích : Các thông số được phân tích theo phương phápchuẩn (APHA, AWWA, TCVN 2008 và Standard Methods) Các thông số đo vàphương pháp phân tích được trình bày trong bảng sau.

Bảng 1 : Các thông số và phương pháp phân tích

COD Phương pháp đun kín (K2Cr2O7Closed flux)Nitrit (N-NO2) Phương pháp đo nhanh - thuốc thửNitri Ver 3Nitrat (N-NO3) Phương pháp đo nhanh - thuốc thử

Nitri Ver 5

NH4

Phương pháp đo nhanh – thuốc thửMineral Stabilizer, PolyvinylAlcohol, Nessler Photphat (P-PO43-) Phương pháp tìm nồng độ bằng xâydựng đường chuẩn

Sắt Phương pháp đo nhanh - thuốc thửFerrover Iron

Ý nghĩa thực tiễn

 Đề tài sẽ được nghiên cứu và bổ sung để phát triển cho vấn đề thu gom và xử

lý nước thải

 Hạn chế việc xả thải bừa bãi làm suy thoái và ô nhiễm tài nguyên nước

 Ngoài nghiên cứu ứng dụng của tảo Spirulina platensis xử lý nước thải sinh

hoạt còn phát triển được các tiềm năng về mục đích sản xuất sinh khối Tảo

Spirulina platensis (nhân giống, phát triển và thu hoạch sinh khối) mang lại lợi ích

kinh tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ CÁC

PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1 Nước thải sinh hoạt

1.1.1 Nguồn gốc

Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày của conngười như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ăn…ở Việt Nam lượng nước thải nàytrung bình khoảng 120 – 260 lít/người/ngày NTSH được thu gom từ các căn hộ, cơquan, trường học, bệnh viện, khu dân cư, cơ sở kinh doanh, chợ, các công trìnhcông cộng khác và ngay chính trong các cơ sở sản xuất NTSH ở các trung tâm đôthị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoạithành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường đượctiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc bằng biện pháp tự thấm

Khối lượng nước thải của một cộng đồng dân cư phụ thuộc vào:

- Quy mô dân số

- Tiêu chuẩn cấp nước

- Khả năng và đặc điểm của hệ thống thoát nước

- Loại hình sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải xám và nước thải đen Nước thảixám bao gồm nước giặt giũ quần áo, tắm rửa và nước sử dụng trong nhà bếp.Nước từ trong nhà bếp có thể chứa lượng lớn chất rắn và dầu mỡ Nước thảiđen chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ và dinh dưỡng (Nito, photpho) –nguồn thức ăn tốt cho sự phát triển của vi sinh vật Nước thải đen có thểđược tách thành hai phần: phân và nước tiểu Mỗi người hàng năm có thểthải ra trung bình 4 kg N; 0,4 kg P trong nước tiểu và 0,55 kg N; 0,18 kg Ptrong phân

Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm bởi các chất cặn bã hữu cơ,các chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD5, COD), các chất dinhdưỡng (nitơ photpho), các vi trùng gây bệnh (Ecoli, coliform…) Ngoài ranước thải sinh hoạt còn chứa các kim loại nặng, các chất hữu cơ khó phân

hủy, độc hại Người ta có thể sử dụng một loại vi khuẩn đặc biệt như trựckhuẩn Ecoli để đánh giá độ ô nhiễm sinh học của nước thải

Mức độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào:

- Lưu lượng nước thải

- Tải trọng chất bẩn tính theo đầu người

Mà tải trọng chất bẩn tính theo đầu người phụ thuộc vào:

- Mức sống, điều kiện sống và tập quán sống

- Điều kiện khí hậu

1.1.2 Thành phần tính chất của nước thải

Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt được thể hiện như sau:

Bảng 1- 2: Thành phần đặc trưng trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý [13]

-Mức độ cần thiết xử lý nước thải phụ thuộc:

- Nồng độ bẩn của nước thải

- Khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp cận

- Yêu cầu về mặt vệ sinh môi trường

Để lựa chọn công nghệ xử lý và tính toán thiết kế các công trình đơn xử lýnước thải trước tiên cần phải biết thành phần tính chất của nước thải

Thành phần tính chất của nước thải chia làm hai nhóm chính: thành phầnvật lý và thành phần hóa học

 Thành phần vật lý: Biểu thị dạng các chất bẩn có trong nước thải ở các kíchthước khác nhau được chia thành ba nhóm.

Nhóm 1: Gồm các chất không tan chứa trong nước thải dạng thô (vải, giấy, lácây, cát, da, lông…) ở dạng lơ lửng (δ > 10-1mm) và ở dạng huyền phù, nhũtương (δ = 10-1 – 10-4 mm)

Nhóm 2: Gồm các chất bẩn ở dạng keo (δ = 10-4 – 10-6 mm)

Nhóm 3: Gồm các chất bẩn ở dạng hòa tan có δ < 10-6mm, chúng có thể ởdạng ion hay phân tử

 Thành phần hóa học: Biểu thị dạng các chất bẩn trong nước thải có các tínhchất hóa học khác nhau, được chia làm ba nhóm:

Thành phần vô cơ: cát, sét, xỉ, axit vô cơ, các ion muối phân ly…(chiếmkhoảng 42% đối với NTSH)

Thành phần hữu cơ: các chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật cặn bã bàitiết…(chiếm khoảng 58%)

+ Các hợp chất chứa nito

+ Các hợp chất nhóm hydrocacbon: mỡ, xà phòng, cellulose…

+ Các hợp chất có chứa photpho, lưu huỳnh

Thành phần sinh học: nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn…

Bảng 1-3 thể hiện thành phần tương đối của NTSH trước và sau xử lý BOD và chấtrắn lơ lửng là hai thông số quan trọng nhất được sử dụng để xác định đặc tính củaNTSH Qúa trình xử lý lắng đọng ban đầu có thể giảm được khoảng 50% chất rắn lơlửng và 35% BOD

Bảng 1- 3: Thành phần tương đối của nước thải sinh hoạt bình thường [29]

1.1.3 Tác hại đến môi trường

Các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra các tác động tớimôi trường đáng lo ngại Dựa vào đặc điểm dễ hay khó bị phân hủy bởi VSV

có trong nước thải mà các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải có thểđược chia làm hai loại:

 Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ dễ bị phânhủy gồm các chất protein, cacbonhydrat, các chất béo có nguồn gốc động và thựcvật Trong thành phần các chất hữu cơ từ nước thải ở các khu dân cư có khoảng 40-60% protein, 25-50% cacbonhydrat, 10% chất béo Các hợp chất này chủ yếu làmsuy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảmchất lượng nước cấp sinh hoạt Trong thực tế, người ta thường áp dụng các biệnpháp sinh học để xử lý nước thải bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinhhọc

 Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ khó bịphân hủy sinh học gồm các chất thuộc dạng chất hữu cơ có vòng thơm(cacbuahydro của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ,photpho hữu cơ Trong đó, có nhiều chất là các chất hữu cơ tổng hợp và có độc tính

cao đối với con người và động thực vật Hàng năm, trên thế giới có khoảng 60.106

tấn các chất hữu cơ tổng hợp khó phân hủy sinh học được sản xuất trên thế giới nhưcác chất màu, chất hóa dẻo, thuốc trừ sâu…Trong tự nhiên, các chất hữu cơ khó bịphân hủy sinh học khá bền vững, có khả năng tích lũy và lưu giữ lâu dài trong môitrường và cơ thể sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe conngười Thành phần này tồn tại trong nước thải sinh hoạt không cao

Cụ thể về tác động của các chất gây ô nhiễm nước thải sinh hoạt tới môitrường như sau:

- COD, BOD: Sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn vàgây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến hệ sinh thái môi trường nước Nếu ônhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quá trình phân hủy yếmkhí sinh ra các sản phẩm như H2S, NH3, CH4…làm cho nước có mùi hôi thối và làmgiảm pH của môi trường

- SS: Lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí

- Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đờisống của thủy sinh vật

- Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêuchảy, ngộ độc thức ăn, vàng da…

- Ammonia, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độtrong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa (sự phát triển bùng phát củacác loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở vàdiệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình

hô hấp của tảo thải ra)

- Màu: mất mỹ quan

- Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt

1.1.3.1 Tác hại của Nitơ trong nước thải

a) Đối với sức khỏe cộng đồng: Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu

ứng về môi trường Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnhhưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng Khi trong nước thải có nhiềuAmoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thủy sinh, làm giảm lượng oxi hòa

tan trong nước Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng them hàm lượng photpho

có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt làlượng oxi hòa tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ

Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nito đi vào trongchuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm.Nitrat tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thànhcác nitrosamine là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinhđặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dung để pha sữa.Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột.Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người chúng có thểtạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thể oxyhóa sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng oxy trong máy

có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

b) Đối với môi trường: Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng

hàm lượng chất dinh dưỡng Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loạithực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức

ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinhnhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4…tiêu diệt nhiều loại sinh vật

có ích trong nước Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước

Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các song và kênhdẫn nước thải Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lữ, sông TôLịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H2S Hiệntượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biếnđổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khudân cư

Sự có mặt của nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảmhiệu quả làm việc của các công trình Mặt khác nó có thể kết hợp với các loạihóa chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người

1.1.3.2 Tác hại của photpho

Photpho trong nước thải chủ yếu có từ nguồn gốc: phân người, nướctiểu, đồ thải thức ăn, chất tẩy rửa tổng hợp, chất thải từ sản xuất công nghiệp,chất chống ăn mòn trong các đường ống dẫn nước.

Dư thừa photpho từ các cánh đồng và bãi cỏ ở ngoại ô các thành phốxuống các ao, hồ, sông, suối là nguyên nhân chính để tảo phát triển, sau đóchúng đi vào các nguồn nước và làm giảm chất lượng nước Ô nhiễmphotpho gây nguy hiểm cho cá và các loại thủy sinh khác cũng như các loàiđộng vật và con người, những sinh vật sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch.Trong một số trường hợp, dư thừa photpho còn giúp tảo độc phát triển, gây

ra mối đe dọa trực tiếp đến sinh mạng con người và động vật

1.1.3.3 Tác hại của kim loại nặng như Fe, Cu…trong nước thải

Kim loại nặng là một mối nguy lớn có trong nước thải Tác hại của kimloại nặng không chỉ làm mất đi một số tính chất hóa lý đặc biệt, gây nhiễmđộc đối với nước mà còn có thẻ gây nhiều bệnh tật lên con người và sinh vậttiếp xúc với nguồn nước đó Hiện nay, ở nhiều nơi trên thế giới và ngay tạiViệt Nam, người dân vẫn chưa có nước sạch để sinh hoạt hàng ngày, trongkhi đó một lượng nước lớn vẫn bị nhiễm độc và lãng phí

Hầu hết các kim loại nặng như Fe, Cu2+…tồn tại trong nước ở dạng ion với kíchthước rất nhỏ, với số lượng rất lớn Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau,trong đó chủ yếu từ hoạt động công nghiệp Khác với các chất thải hữu cơ có thể tựphân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môitrường thì sẽ tồn tại lâu dài và không phân hủy Chúng tích tụ vào các mô sống quachuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng Nước sau khi được xử lýbằng phương pháp hóa lý hay hóa học vẫn còn lại một lượng kim loại nhất định và

có thể tích tụ theo thời gian

1.1.4 Một số thông số đánh giá chất lượng nước thải sinh hoạt

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước nói chung được chia làm ba nhóm chính là:theo các chỉ tiêu vật lý (nhiệt độ, hàm lượng cặn lơ lửng, độ màu, mùi, vị ); chỉ tiêu

hóa học (pH, độ kiềm, độ cứng, độ oxi hóa, hàm lượng sắt,…); chỉ tiêu sinh học và

vi sinh (các thủy sinh vật, tổng số lượng vi khuẩn, chỉ số Coli…)

1.1.4.1 Độ pH

Độ pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý Cáccông trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học làm việc tốt khi pH nằmtrong giới hạn từ 6,5 - 8,5 Thông thường nước thải sinh hoạt có pH trong khoảngtrung tính, vì vậy rất phù hợp khi xử lý sinh học

1.1.4.2 Hàm lượng các chất rắn

Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khảnăng lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan Và hàm lượng chất rắn lơ lửnghay được quan tâm hơn cả trong nước thải sinh hoạt Tải lượng các chất rắn

lơ lửng trong nước thải sinh hoạt nằm trong khoảng 200 – 250(g/người/ngày)

1.1.4.3 Oxi hòa tan

Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxy được dùng nhiều cho các quátrình hóa sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxy trầm trọng Nồng độ oxy hòa tan(DO) trong nước là số mg O2 hòa tan trong 1 lít nước DO thường tỷ lệ nghịchvới mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải: nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơcao thì hàm lượng DO thấp và ngược lại Do oxy được sử dụng cho các quá trìnhsinh hóa hiếu khí các chất hữu cơ và oxy hóa các chất vô cơ khác, vì vậy oxy hòatan là một trong những chỉ tiêu quan trọng được phân tích nhằm đánh giá sự ônhiễm của nước và giúp đề ra các biện pháp xử lý thích hợp

1.1.4.4 Chỉ số BOD

Nhu cầu oxi sinh hóa hay là nhu cầu oxi sinh học là lượng oxi cần thiết đểoxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước bằng VSV Đơn vị là mg O2/L.Chỉ số BOD cao thì nước bị ô nhiễm nặng Quá trình này đòi hỏi cần thời gian dàingày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, vào các chủng loại VSV,nhiệt độ nguồn nước cũng như vào một số chất có độc tính ở trong nước Khi đoBOD cho nước thải, người ta thường quy ước để mẫu 5 ngày vì vậy gọi là BOD5

Nước sạch thì BOD < 2 mg O2/L Nước thải sinh hoạt thường có BOD từ 80-500mgO2/L

1.1.4.5 Chỉ số COD

COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu

cơ có trong mẫu nước thành CO2 và nước Chỉ số này được dùng rộng rãi đểđặc trưng cho hàm lượng chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm của nước

tự nhiên Nước thải ô nhiễm có tỉ lệ BOD/COD là 0,5 - 0,7

1.1.4.6 Chỉ số N, P

Cần xác định tổng N, tổng P để chọn phương án giảm các thông số nàyhoặc cân đối dinh dưỡng trong quá trình bùn hoạt tính Trong nước thải sinhhoạt thì các chỉ số này vào khoảng 50mg/L với Nitơ, và Phốtpho là 5mg/L 1.1.4.7 Chỉ số vệ sinh (E.coli)

Nước thải sinh hoạt giàu chất hữu cơ nên có hệ VSV phong phú,bao gồm cả các VSV gây bệnh và VSV không gây bệnh Việc xác định tất

cả các loài VSV là rất khó khăn vì vậy mà người ta thường chọn phân tíchE.coli làm sinh vật chỉ thị cho chỉ tiêu vệ sinh E.coli là trực khuẩn, khutrú trong đường ruột của động vật máu nóng Trừ một số chsủng E.colisinh độc tố gây bệnh cho con người, còn phần lớn chúng là VSV có ích.Trong nước thải sinh hoạt bao giờ cũng chứa E.coli và sự có mặt củaE.coli trong một nguồn nước bất kỳ đồng nghĩa với việc nguồn nước này

bị nhiễm phân và có khả năng chứa các VSV gây bệnh khác

1.2 Các phương pháp xử lí nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt củacác cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vựcvui chơi giải trí, cơ quan công sở,…Các phương pháp chính thường được sửdụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là:

Phương pháp hóa học: Dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh

hoạt, gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủycác hợp chất độc hại Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học

diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào Do đó, ưu điểm của phươngpháp là có hiệu quả xử lý cao, thường được sử dụng trong các hệ thống xử lýnước khép kín, tự động hóa Tuy nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm

là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thảivới quy mô nhỏ và vừa

Phương pháp hoá lý: Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá

trình xử lý nước thải sinh hoạt là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học đểđưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chấtbẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoàtan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm môi trường Các phương phápthường được áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấpphụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc… Giai đoạn xử lý hoá lý có thể

là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý kết hợp với các phương pháp cơ học,hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh

Phương pháp sinh học: Sử dụng khả năng sống và hoạt động của

các VSV có ích để phân huỷ các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễmtrong nước thải Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu gồm bốn nhóm chính:quá trình hiếu khí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trìnhkết hợp hiếu khí – trung gian anoxic – kị khí Đối với xử lý nước thải sinhhoạt, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh họcđược ứng dụng phổ biến nhất

1.3 Phương pháp sinh học xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng

Phương pháp sinh học là phương pháp xử lý nước thải nhờ vào khả năngsống và hoạt động của các loài vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ cótrong nước thải thủy sản Các sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một

số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng

Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học nước thải là dựa vào khả năng oxyhóa các liên kết hữu cơ dạng hòa tan và không hòa tan của vi sinh vật –chúng sử dụng các liên kết đó như là nguồn thức ăn của chúng Qúa trình hấpthụ dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển và tăng số lượng tế bào

(tăng sinh khối), đồng thời làm sạch (có thể gần hoàn toàn) các chất hữu cơhòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ

Trong xử lý sinh học người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô rakhỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối với các tạp chất vô cơ cótrong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sunfit,muối amon, nitrat các chất chưa bị oxi hóa hoàn toàn Kết quả là các chấthữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, cácchất khí đơn giản và nước

Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên gồm có:

Mương oxy hóa…

1.4 Hệ vi sinh vật trong nước thải

VSV là những sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé Tế bào của chúngkhông thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi với

độ phóng đại từ 400 đến 1000 lần

Số lượng và chủng loại VSV trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:các chất hữu cơ hòa tan trong nước, pH môi trường, các chất độc, tia tửngoại… Mỗi loại nước thải có hệ VSV đặc trưng Nước thải sinh hoạt rấtgiàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng VSV trong các loại nước này là rất lớn

và chủ yếu là vi khuẩn Các VSV trong nước thải rất phong phú, bao gồmcác loại vi khuẩn, virut, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc Trong số đó, vi khuẩn

chiếm tỉ lệ cao nhất Nước thải ở các nhà máy thải ra nhiều xenluloza và nhà

máy chế biến thực phẩm thường có nhiều vi khuẩn Sphaerptilus natans Loại

vi khuẩn này trước đây thường hay bị nhầm với vi nấm trong nước thải do nóphủ lên bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thường tạo thành các sợi, khi vỡ

ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước Nhóm vi khuẩn này phát triển mạnh ở nhiềunước oxygen Ngoài ra, trong nước thải còn có các vi khuẩn phân giải đường

như: Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp; các vi khuẩn gây thối: Pseudomonas fluorecens, proteus vulgaris, Bacillus cereus; các vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh: Thiobacillus, Thiothrix, Beggiatoa; vi khuẩn phản nitrat hóa: Thiobacillus denitrificans, micrococus denitrificans Trong nước thải chứa dầu người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải cacbohydrat: Pseudomonas, Nocardia…[15]

Ngoài vi khuẩn, trong nước thải còn có nhiều loại nấm, nhất là nấm mennhư: Saccharomyces, Candia, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomituslacteus, Fusarium aquaeducteum…Trong đó, nấm Leptomitus lacteus có khảnăng phát triển thành khối nhầy cùng vi khuẩn Sphaerptilus natans trong 90-

120 phút và có thể bịt kín hoàn toàn các song chắn rác làm cản trở dòngchảy, gây phiền hà trong việc thải nước Leptomitus lacteus có thể sống xungquanh năm ở sông hồ và phát triển mạnh vào mùa đông [12]

1.5 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải

Các quá trình vật lý, hóa học như sự sa lắng và sự oxy hóa giữ vai tròquan trọng trong quá trình làm sạch nước thải Tuy nhiên, đóng vai trò quyếtđịnh trong làm sạch nước thải vẫn là các quá trình sinh học Tại chỗ nướcthải đổ ra, thường tụ tập các loại chim, cá Chúng sử dụng các phế thải từ đồ

ăn và rác làm thức ăn Tiếp sau đó là các động vật bậc thấp như ấu trùng củacôn trùng, giun và nguyên sinh động vật Chúng sử dụng các hạt thức ăn cựcnhỏ làm nguồn dinh dưỡng Song cần phải nhấn mạnh vai trò quyết định củacác VSV trong quá trình làm sạch nước thải Cơ chế của quá trình làm sạchnước thải do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:

+ Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;

+ Qúa trình khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vàotrong tế bào VSV;

+Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợpvật liệu mới cho tế bào VSV;

Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ các chấtgây ô nhiễm trong nước giảm dần

Theo phương thức dinh dưỡng, các VSV được chia làm hai nhóm chính:

- Nhóm VSV tự dưỡng: Nhóm VSV này có khả năng oxi hóa chất vô cơ để thunăng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp Trongnhóm này có các vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh…

- Nhóm VSV dị dưỡng: Nhóm VSV này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồncacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để sinh trưởng, xây dựng tế bào và pháttriển Các VSV dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ dựa theo hoạt động sốngcủa chúng đối với nhu cầu oxy:

+ Nhóm VSV hiếu khí: là nhóm VSV cần oxy để sống, giống như quá trình hôhấp ở động vật bậc cao Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí thể hiện ởphản ứng sau:

cơ ở điều kiện kị khí được thể hiện ở các phản ứng sau:

Chất hữu cơ + NO3- + SO42- VSV kị khí CO2 + H2O +CH4 + N2 + H2S + NH4 +axit hữu cơ + sinh khối VSV + năng lượng

+ VSV tùy nghi hay còn gọi là VSV kỵ khí tùy tiện: Nhóm VSV này có thể sinhtrưởng trong điều kiện có hoặc không có oxy Chúng luôn có mặt trong nước thải

Năng lượng được giải phóng ngoài một phần thoát ra ở dạng nhiệt, phần còn lạiđược sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới [12].

Trong số các nhóm VSV làm sạch nước thải, vi khuẩn có số lượng nhiềunhất và cũng đóng vai trò quan trọng nhất Ngoài ra, cũng có các nhóm VSVkhác như nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn nhưng số lượng ít hơn vi khuẩn.Những nhóm này là các VSV dị dưỡng hiếu khí Nhiều loại nấm, kể cả nấmđộc có khả năng phân hủy xenlulozo, hemixenlulozo và đặc biệt là lignin.Tuy nhiên, vai trò của nấm, kể cả nấm mốc, nấm men, cũng như xạ khuẩntrong quá trình xử lý nước thải không quan trọng bằng vi khuẩn [13]

1.6 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo

Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặctạp dưỡng Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài Chúng làthực vật phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loàithực vật khác) Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếmđến 2/3 Nhiều loài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lamđược xếp vào nhóm vi khuẩn lam Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực

chất là màu sắc của tảo (tảo lam Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tải Melorisa, Navicula làm cho nước có màu vàng nâu…[13]

Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt nhất cho tảo phát triển.Nguồn CO2 có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chấthữu cơ tạo thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí

Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựavào đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng Tảo sử dụng CO2 hoặcbicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nito, phot pho vô cơ để cấu tạo tếbào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khíoxy Qúa trình quang hợp của tảo được biểu diễn như sau:

CO2 + NH4+ + PO43-  Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2

Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trongnước, tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy

các phản ứng oxy hóa – khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu

cơ xảy ra nhanh hơn

Vai trò chính của tảo và thực tập thủy sinh là khử nguồn amonium hoặcnitrat, cùng nguồn photphat có trong nước Việc làm giảm các chất hữu cơ ônhiễm trong nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khácchỉ sinh oxy và có rễ để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tácđộng của ánh sáng mặt trời giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện chochúng hoạt động tốt hơn

Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản Một

số loài tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai tròquan trọng trong quá trình làm sạch nước thải Cùng với các VSV khác, vitảo giữ vai trò như máy lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả nhữngsản phẩm thừa, sản phẩm sau cùng của phân hủy hữu cơ và chuyển hóachúng sang dạng ít độc hại hơn hoặc phân giải chúng thành những vật chấtkhác đơn giản và vô hại Những loài tảo và vi khuẩn lam nước ngọt được sửdụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải chủ yếu thuộc các chiChlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có nhiều nghiêncứu quan trọng trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo trong xử lýnước ô nhiễm Tại Việt Nam, năm 2010, nghiên cứu tại trường Đại học BáchKhoa TP Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp Có khả nănglàm sạch nước thải nuôi tôm sú Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu củatrường Đại học Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nướcthải đô thị rất hiệu quả của loài tảo Chlorella [28] Năm 2010, các nhà nghiêncứu của Thụy Điển cũng chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nito vàphotpho có trong nước thải rất tốt, hiệu suất xử lý nito đạt 60-80% vàphotpho đạt từ 60-100% trong các tháng của mùa hè [27]

Mặc dù phương pháp sinh học sử dụng thực vật thủy sinh hay vật liệu sinhhọc vẫn có khả năng hấp thu kim loại thành công, nhưng hiệu quả khi sửdụng vi tảo là vượt trội hơn so với những nguyên liệu khác Một số ưu thếđặc biệt khi sử dụng vi tảo so với tất cả các phương pháp khác:

- Nhiều loại vi tảo có khả năng thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao, nồng độkim loại nặng tích lũy bên trong các cấu trúc tế bào của chúng có thể cao gấp hàngnghìn lần nồng độ trong tự nhiên.

- Diện tích bề mặt riêng của sinh khối vi tảo vô cùng lớn làm cho chúng rấthiệu quả trong việc loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nước

- Sự hấp thu sinh học các ion kim loại nhờ tảo tốt hơn so với sự kết tủa hóahọc ở dạng thích nghi với sự thay đổi pH và nồng độ kim loại nặng; tốt hơn phươngpháp trao đổi ion và thẩm thấu ngược ở khả năng nhạy cảm với sự hiện diện củachất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ, và sự hiện diện của các kim loại khác

- Có khả năng xử lý với một thể tích lớn nước thải với tốc độ nhanh

- Có tính chọn lọc cao nên nồng độ kim loại nặng còn lại sau xử lý sinh học cóthể chỉ còn thấp hơn 1 ppm trong nhiều trường hợp

- Hệ thống xử lý sinh học không cần các thiết bị hóa chất đắt tiền, dễ vậnhành, phù hợp với các điều kiện hóa lý khác nhau nên giá thành thấp (chỉ bằngkhoảng 1/10 giá thành của phương pháp trao đổi ion)

- Trong hoạt động quang hợp của mình vi tảo còn thu nhận một lượng lớn khí

CO2, các muối dinh dưỡng, có tác dụng làm giảm hiệu ứng nhà kính, ngăn ngừa vàkhắc phục tình trạng phì dưỡng (eutrophication) của môi trường nước

CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA TẢO SPIRULINA PLATENSIS TRONG XỬ

LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 2.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina

2.1.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina trên thế giới

Năm 1974, DIC – một tập đoàn hóa chất lớn của Nhật Bản đã bắt đầu tập

trung nghiên cứu tảo Spirulina Đây là tập đoàn đầu tiên đã thành công trong

việc nuôi trồng Spirulina ở qui mô công nghiệp và thương mại hóa tảoSpirulina trên thế giới [26] Ngày nay, với 3 trang trại nuôi trồng tại Mỹ,Trung Quốc và Thái Lan, tập đoàn DIC đã nuôi trồng và sản xuất tảo

Spirulina với sản lượng hàng năm lên đến 900 tấn Năm 1979, tại Mỹ, tập

đoàn Earthrise cũng đã nghiên cứu và đưa Spirulina đến với thị trường thựcphẩm thiên nhiên Sau đó, vào năm 1982, Earthrise xây dựng trang trại nuôi

trồng Spirulina đầu tiên tại Mỹ Cho đến nay đây là trang trại nuôi trồng

Spirulina lớn nhất trên thế giới

Không chỉ được biêt đến như một nguồn thực phẩm chức năng trên thế

giới, khả năng xử lý môi trường của tảo lam Spirulina đã nghiên cứu tại nhiều nước Năm 2000, tại Malaysia, Spirulina được ứng dụng trong xử lý

nước thải từ nhà máy sản xuất dầu cọ [34] Năm 2003, tại Thái Lan, khả

năng làm sạch nước thải ao nuôi tôm của Spirulina cũng đã được chứng minh [23] Tại Nhật Bản, cùng với chủng vi khuẩn tía Rhodobacter sphaeroides và một chủng Chlorella sorokiniana, tảo lam Spirulina cũng

được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước thải giàu hàm lượng hữu cơ.Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật AND tái tổ hợp và công nghệ gen để chuyển

gen vào tảo Spirulina đang được tiến hành ở Nhật Bản nhằm tạo ra những

chủng giống tảo có đặc tính mong muốn là một hướng đầy triển vọng trongviệc sử dụng tảo này trong xử lý một số loại nước thải [31] Các nhà khoa

học tại MeOlguinhico đã nghiên cứu sử dụng Spirulina để loại bỏ NH4+ và

PO43- trong nước thải chăn nuôi lợn có hiệu quả [33] Năm 2010, Spirulina

cũng được các nhà khoa học Tây Ban Nha chứng minh có khả nắng xử lýnước thải ô nhiễm nitơ và photpho một cách có hiệu quả [24]

Ngoài ra, cũng có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng sử dụng tảo

lam Spirulina loại bỏ một số kim loại nặng trong nước thải Năm 2006, công

trình nghiên cứu tại Trường Đại học Goana, Italia về khả năng của tảo lam

Spirulina trong việc loại bỏ đồng trong nước thải cũng đã được công bố.

Năm 2007, Trường Đại học Iowa, Mỹ cũng đã công bố khả năng hấp thụ

thủy ngân của chủng Spirulina platensis [21] Spirulina cũng được chứng

minh có hiệu suất hấp thụ cadimi trong nước rất tốt lên đến 98% trong thínghiệm của Solicio và các cộng sự (2007)

2.1.2 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina tại Việt Nam

Từ cuối những năm 1970, tảo Spirulina được sản xuất đại trà ở một số

nước như Mỹ, Nhật Bản, Mehico Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Đài Loan,Cuba và Việt Nam

Ở nước ta, tảo spirulina được nhập nội từ Pháp năm 1972 Nó đã trở thànhmột đối tượng nghiên cứu sinh lý, sinh hóa, tại Viện Sinh vật học (nay làViện Công nghệ Sinh học) do cố Giáo sư Nguyễn Hữu Thước chủ trì Nhữngnghiên cứu về tác động của ánh sang, nhiệt độ, pH đã cho phép đẩy nhanhquá trình thích ứng của tảo này với điều kiện khí hậu của Việt Nam Một môitrường dinh dưỡng rẻ tiền, thích hợp cho tảo này cũng đã được đưa ra dựatrên những nghiên cứu về tác động của các nguyên tố khoáng lên sinh trưởng

và quang hợp của tảo Spirulina Sử dụng các môi trường này tảo Spirulina đãđược đưa vào nuôi trồng thử nghiệm đại trà tại Hà Nội, Bình Thuận, Bến

Tre, thành phố Hồ Chí Minh với một kỹ thuật bổ sung môi trường trong nuôitrồng đại trà đã được thiêt lập [9] Trong khoảng thời gian 1981 -1985, nuôitrồng Spirulina ở quy mô ban đầu là 60 bể (mỗi bể 45 m3) với năng suất 8-10g khô/m2/ngày Cũng trong thời gian này, hàng loạt nghiên cứu ứng dụngsinh khối Spirulina cho gia cầm, cá, vịt, ong, tằm cũng đã được thực hiện.Vào đầu thời điểm những năm 1980s, ở Thuận Hải hai sản phẩm Spirulina– “Linavina” và “Lactogyl” đã có mặt trên thị trường được dùng làm thuốc

bổ dưỡng Các bệnh viện Thống Nhất, Bệnh viện phụ sản Từ Dũ, Bệnh việntỉnh Thuận Hải, Trung tâm dinh dưỡng trẻ em thành phố Hồ Chí Minh cũngtiến hành thử nghiệm sử dụng sinh khối Spirulina trong phòng chống suydinh dưỡng ở trẻ em và người già [10,16] Trong giai đoạn 1986 - 1990, diệntích nuôi trồng Spirulina ở Thuận Hải được nâng lên 5000m2 với sản lượngđạt được 6 tấn khô/năm, giá bán 10-12 USD/1kg

Những nghiên cứu sâu về nguồn cacbon và công nghệ sử dụng CO2 trựctiếp (không qua phối trộn khí) đã được thử nghiệm thành công tại hai cơ sởnuôi trồng tảo này ở Bến Tre và Đồng Nai Hàng loạt công trình nghiên cứunhằm đánh giá tổng quát hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học củaSpirulina cũng đã được các nhà khoa học Việt nam nghiên cứu Nhằm tậndụng nguồn nước biển, nước lợ cho khả năng sản xuất Spirulina trong tươnglai nên những nghiên cứu về khả năng chống chịu muối NaCl của tảo nàycũng đã được nghiên cứu Khả năng sử dụng nước khoáng Đắc Min (tỉnhĐắc lắc) để sản xuất đại trà tảo Spirulina với công nghệ thích hợp cũng đãđược quan tâm nghiên cứu trong giai đoạn này [7] Một quy trình công nghệtách chiết sắc tố lam từ Spirulina để ứng dụng cho bệnh nhân ung thư và tai,mũi, họng cũng đã được hoàn chỉnh Chế phẩm “Phycobleu” đã được trườngĐại học Y Hà Nội thử độc tính và dùng thử nghiệm cho bệnh nhân tại ViệnTai Mũi Họng Hà Nội [16]

Sinh khối của tảo lam Spirulina dùng để tách chiết các chất có hoạt tínhsinh học có giá trị dinh dưỡng làm thực phẩm chức năng cho người và độngvật, nguồn phân bón sinh học và vai trò của nó trong xử lý môi trường cũng

đã được đi sâu nghiên cứu [7] Khả năng nuôi trồng tạp dưỡng, ảnh hưởngcủa một số nguồn cacbon hữu cơ (như glucose, fructose, galactose,saccarose, L-arginine, axetat natri) lên sự sinh trưởng của tảo lam Spirulinaplatensis cũng như quang hợp và sinh trưởng của tảo này trong điều kiệnthiếu nito, photpho và kali đều đã được nghiên cứu Các kết quả thu đượccho thấy các điều kiện nêu trên đã ảnh hưởng rất rõ rệt lêm tốc độ quang hợp,sinh trưởng cũng như hàm lượng sắc tốc của Spirulina platensis [20] Cácnguồn phế thải hữu cơ như rỉ đường, nước thải ươm tơ, phế thải công nghiệprượu bia cũng được thử nghiệm để nuôi sinh khối tảo này [18] Hướngnghiên cứu này có triển vọng rất to lớn vì vừa đảm bảo làm sạch môi trườngvừa hạ giá thành sản phẩm, đồng thời rất có ý nghĩa về mặt sinh thái môitrường Tất nhiên, vấn đề kỹ thuật và công nghệ vủa hướng nghiên cứu nàycần được tiếp tục nghiên cứu.

Ngoài ra, hoạt tính sinh lý của dịnh tảo Spirulina platensis lên sinh trưởngcủa lúa ở trong giai đoạn nảy mầm, lên sự ra rễ của cành giâm Đậu xanh vàĐậu cô ve cũng đã được nghiên cứu [4] Nghiên cứu dịch chiết phycoxiamin

từ tảo lam Spirulina platensis và ứng dụng của nó trên chuột thuần chủngBAL/C để hạn chế sự phát triển tế bào ung thư của mô liên kết 180 khoảng

70 – 80% đã được công bố [11]

Ứng dụng của vi tảo trong sản xuất thức ăn cho ấu trùng một số loài tômcũng đã được nghiên cứu với chất lượng luôn ổn định, giá thành của chếphẩm có thể chấp nhận được [9]

Triển vọng sử dụng nước biển và nước lợ cho nuôi trồng đại trà Spirulina

ở nước ta trong tương lai cũng đã được đề cập thông qua các nghiên cứu sửdụng nguồn nước biển để nuôi trồng tảo này cũng như ảnh hưởng của cácnồng độ NaCl khác nhau lên các đặc điểm sinh lý, sinh hóa của tảo lamSpirulina cũng đã được tiến hành nghiên cứu [5] Nghiên cứu các phươngpháp chuyển gien trên đối tượng tảo Spirulina để tiến tới áp dụng thành công

kỹ thuaatjr AND tái tổ hợp trong việc tạo ra được các chủng tảo lam cónhững đặc tính mong muốn cũng đã được công bố [6]

Nghiên cứu tảo lam Spirulina của Nguyễn Thị Kim Hưng (Trung tâmDinh dưỡng trẻ em TP.Hồ Chí Minh) và cộng sự với đề tài “Nghiên cứu sảnxuất và sử dụng thức ăn có tảo Spirulina trong dinh dưỡng điều trị” đã đạtgiải nhì trong hội thi sang tạo ký thuật cấp thành phố năm 1998 Năm 2009,tại Hội nghị công nghệ sinh học toàn quốc, đề tài “Nghiên cứu nuôi Spirulinabằng phương pháp kín sạch thành thức uống dùng tươi có giá trị dinh dưỡng

và chức năng” của Lê Chiến Phương (Viện Sinh học Nhiệt đới TP.Hồ ChíMinh) cũng đã được công bố

Năm 2008, công ty Cổ phần hỗ trợ và phát triển công nghệ DETECHcũng đã phối hợp cùng các nhà khoa học của Viện Khoa học và Công nghệViệt Nam sản xuất thành công 5 sản phẩm từ tảo Spirulina là Spỉ@ Loại sảnphẩm này đã được Cục An toàn vệ sinh thực phẩm – Bộ Y tế cấp phép lưuhành trên thị trường

Sinh khối của tảo lam Spirulina không chỉ được nghiên cứu dùng để táchchiết các chất có hoạt tính sinh học có giá trị dinh dưỡng làm thực phẩmchức năng cho con người và động vật mà vai trò quan trọng trong xử lý môitrường của tảo lam Spirulina cũng được đi sâu nghiên cứu Tảo lam Spirulina

đã được sử dụng trong xử lý nước thải giàu amoni từ một số nguồn phân hóahọc trong trồng trọt ở Việt Nam để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảmgiá thành sản phẩm từ Spirulina [11] Ngoài ra, các thử nghiệm nuôi trồngtảo này bằng nguồn nước thải ươm tơ tằm, nước thải của nhà máy phân đạm,nước thải từ hầm biogas…đã được triển khai, ngay cả các nguồn phế thảihữu cơ như rỉ đường , phế thải công nghiệp, rượu bia cũng đã được thửnghiệm để nuôi trồng và thu sinh khối tảo này [18] Nhiều cơ sở nuôi trồng,sản xuất và chế biến các sản phẩm từ tảo Spirulina đã được thành lập vớicông nghệ nuôi tảo trên các bể nông xây bằng xi măng sử dụng khí CO2 củacông nghệ tạo nguồn cacbon, nguồn CO2 trực tiếp lấy từ các nhà máy bia,cồn, rượu…nén hóa lỏng vào bình chứa Đó là các cơ sở như Vĩnh Hảo(Bình Thuận), Châu Cát, Suối Nghệ (Đồng Nai), Đắc Min (Đắc Lắc)

Trước thực trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam nói chung và đặc biệtmôi trường nước thải sinh hoạt ở các đô thị lớn nói riêng đang bị ô nhiễm ởmức đáng báo động, việc sử dụng vi tảo lam Spirulina để xử lý môi trường làhoàn toàn có thể áp dụng được, có tính khả thi cao [6] Tuy nhiên, giá thành

xử lý sẽ cao do chi phí cho các thiết bị để lắp đặt, xây dựng hệ thống các bể

xử lý nước thải lớn Trong bối cảnh trên nếu chúng ta chọn được các chủngtảo lam Spirulina có khả năng tổng hợp cao các chất có hoạt tính sinh học(như chất dẻo sinh học) bằng các tác nhân vật lý như UV, tia phóng xạ cóliều thấp, các chất gây đột biến nhân tại cũng như các kỹ thuật di truyền vàsau đó sử dụng chính các chủng tảo này để xử lý nước thải, đồng thời thusinh khối tảo để khai thác các chất có hoạt tính sinh học là một hướng điđúng, có tính khả thi cao Việc nghiên cứu tảo lam Spirulina platensis xử lýnước thải giàu chất dinh dưỡng sẽ giảm giá thành xử lý, có tính khả thi cao

và có ý nghĩa cả về khoa học và thực tiễn

2.2 Giới thiệu chung về chủng tảo lam Spirulina

2.2.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina

Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, là loài VSV đầu tiên có khảnăng quang hợp và sinh ra khí oxy được phát hiện từ hơn 3,5 tỷ năm trước

Spirulina (Athrospira) platensis thuộc ngành vi khuẩn lam (Cyanophyta), lớp Cyanophyceae, bộ Oscillatoriales, họ Oscillatoraceae, chi Spirulina.

Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi Có hai loài quan trọng là Spirulina maxima và Spirulina platensis Chiều dài sợi tảo Spirulina có thể đạt tới 250µm Spirulina có

5-7 vòng xoắn, dạng lò xo không phân nhánh Bước xoắn có chiều dài khoảng60µm, đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm Sợi tảo có khả năng tự chuyển động

theo kiểu thanh trượt quanh trục của sợi Một số hình ảnh về tảo Spirulina được

minh họa trên hình

Hình 2-1: Tảo Spirulina platensis

nhiều vòng xoắn

Hình 2-2: Tảo Spirulina platensis ít

vòng xoắn

Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân là vùng giàu axit

nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chât Ngoài

ra, tế bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm

chức năng điều chỉnh tỷ trọng tế bào Nhờ có không bào chứa khí màSpirulina có thể nổi lên mặt nước Mặc dù không có ty thể và mạng lưới nộichất song tế bào Spirulina vẫn có ribosom và một số thể vùi như các hạtpolyphotpht, glycogen, phycocyanin, carbonxysome và hạt mesosome

Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa xenlulo mà chứa

mucopolyme pectin và các loại polisaccarit khác Màng tế bào nằm sát ngàybên dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm.Spirulina không có lục lạp mà chỉ chứa thylakoid quang hợp nằm rải ráctrong nguyên sinh chất

2.2.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam Spirulina

2.2.2.1 Đặc điểm sinh lý

Tảo lam Spirulina có thể phân bố rộng rãi trong đất, nước ngọt, nước

lợ, nước mặn và cả trong những suối nước nóng Ngoài hàm lượng chất dinhdưỡng cần thiết cho tảo là nguồn cacbon và nito, photpho, sinh trưởng củaloài tảo này còn chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố vật lý như sau:

+ Yếu tố nhiệt độ: Sinh trưởng của Spirulina đạt tối ưu ở 350C -370C trong điềukiện phòng thí nghiệm Spirulina phát triển rất chậm dưới 250C Ở những nguồnnước có nhiệt độ 450C hay những suối nước nóng có nhiệt độ 600C vẫn thấy sự hiệndiện của tảo này.

+Yếu tố ánh sáng: Tảo Spirulina ít bị chi phối bởi chu kỳsáng tối Cường độánh sáng thích hợp nhất cho Spirulina phát triển nằm trong khoảng 25-30 klux.+Yếu tố pH: Spirulina phát triển trong khoảng pH từ 8.3 -11 Tuy nhiên, pHcủa môi trường tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của tảo là từ 8,5 – 9 Tại khoảng

pH này, nguồn cacbon vô cơ được đồng hóa nhiều nhất [22]

+ Yếu tố độc hại: Các chất độc tính có trong nước thải sẽ ức chế đến đời sốngcủa vi tảo lam này Để đảm bảo cho tảo Spirulina platensis được thích nghi và pháttriển bình thường trong nước thải cần xác định xem nước thải làm môi trường dinhdưỡng để nuôi vi tảo có thích hợp hay không, có kìm hãm hay ức chế sự phát triểncủa chúng không Nhiều hợp chất hóa học có tác dụng gây độc đối với vi tảoSpirulina platensis, ảnh hưởng đến hoạt động sống của chúng, thậm chí làm chúng

bị chết Với nồng độ cao các chất phenol, formaldehit và các chất sát khuẩn cũngnhư các chất bảo vệ thực vật sẽ làm biến tính protein của tế bào chất hoặc tác dụngxấu lên thành tế bào Các kim loại nặng như Cu, Zn, Cr, Hg, Pb tồn tại trong quátrình phân hủy sẽ phá hủy bản chất làm biến đổi tính chất thấm của tế bào vi sinh

Chu kỳ phát triển của tảo Spirulina rất ngắn, thời gian thế hệ chỉ kéo dàitrong 24 giờ Tảo lam Spirulina có hai hình thức sinh sản:

+ Sinh sản sinh dưỡng: Hình thức sinh sản này được thực hiện bằng cách đứttừng khúc trên sợi tảo;

+ Sinh sản vô tính: Spirulina sinh sản vô tính bằng cách tạo bào tử khi điềukiện sống không thuận lợi

2.2.2.2 Đặc điểm sinh hóa

Đặc điểm sinh hóa nổi bật của Spirulina là có hàm lượng protein rấtcao, chiếm khoảng 50-70% trọng lượng của tế bào, trong khi các thực phẩmđược coi là giàu đạm như đậu, đỗ, thịt, phomat cũng chỉ có 20% đạm Nhiềunghiên cứu đã chỉ ra rằng đạm trong Spirulina hoàn toàn không có hại Và

cũng khác với các loại đạm khác, đạm trong Spirulina rất dễ hấp thụ do cácaxit amin hầu như ở dạng tự do Tỷ lệ hấp thụ đạm trong Spirulina là hơn90%.

Thành phần hóa học của tảo Spirulina so với % trọng lượng khô (TLK)như sau: protein tổng số 50 – 70%; gluxit 13 – 16%; lipit 7 – 8%; axitnucleic 4,29%; chlorophylla 0,76%; carotenoit 0,23%; tro 4 – 5% Tuynhiên, thành phần sinh hóa của tảo Spirulina thay đổi tùy thuộc vào điều kiệnnuôi trồng

Protein của tảo Spirulina chứa hầu hết các loại axit amin thay thế vàkhông thay thế, tỉ lệ của các axit amin này khá cân đối Tổ chức lương thựcthực phẩm thế giới (FAO) đã công nhận loại tảo này là nguồn thực phẩmchức năng bổ sung cho người rất tốt [14] Trong số các axit amin trong tảo có

4 loại axit amin không thể thay thế quan trọng sau: lyzin, methionin,phenylanalin, trytophan (là nguyên liệu gốc để tổng hợp vitamin B3) Khôngchỉ cung cấp các axit amin không thể thay thế, tảo Spirulina còn là nguồncung cấp các axit béo không bão hòa quan trọng mà cơ thể không thể tự tổnghợp được, trong đó đặc biệt quan trọng là các axit γ – linolenic khiến choSpirulina trở thành một loại thực phẩm có giá trị chống suy dinh dưỡng vàchống béo phì Các carotenoit chính ở Spirulina là oscillaxanthin, echinenon.Các lipit chủ yếu của Spirulina là mono-di-galactosyldiglycerrid vàphosphatidyglycerol

Đặc biệt, tảo Spirulina là loại thực vật chứa hàm lượng β –carotene (tiềnVitamin A) cao nhất, gấp 10 hàm lượng β-carotene có trong cà rốt, được biếtđến như loại rau quả thông dụng giàu β-carotene nhất trong thực phẩm hàngngày β-carotene trong Spirulina là chất chống oxy hóa mạnh nhất, giúp tiêudiệt các gốc tự do là nguyên nhân của bệnh tật và gây chết Dùng liều cao β-carotene trong khẩu phần ăn dinh dưỡng hàng ngày sẽ phòng chống rất hiệuquả các dạng ung thư

Tảo Spirulina còn có vitamin thuộc nhóm B – loại vitamin rất cần thiếtcho hoạt động của các cơ, hệ tiêu hóa, rất tốt cho mắt, gan, da, vòm miệng,

tóc, giúp điều hòa hệ thần kinh, điều chỉnh lượng cholesterol trong máu.Trong tảo Spirulina còn có sắc tố màu lam phycocyanil, không tồn tại trongbất kỳ thực phẩm nào khác Phycocyanil giúp ổn định quá trình trao đổi chất

và tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợ hoạt động của gan trong các trường hợpphải điều trị bằng nhiều loại thuốc Kết hợp cùng với các vitamin,phycocyanil được sử dụng trong điều chế các dược phẩm điều trị ung thư

2.3 Tảo lam Spirulina platensis

Spirulina platensis là một loại vi tảo có dạng xoắn hình lò xo, màu xanhlam với kích thước chỉ khoảng 0,25 mm Tảo sống và phát triển mạnh trongmôi trường giàu bicarbonat (HCO3-) và độ kiềm cao (pH từ 8,5-9,5) [8] Tảođược xem là nguồn dinh dưỡng số một của thiên nhiên với đủ các thành phầnthiết yếu như Protein, Lipid, Glucid cùng nhiều loại khoáng, vitamin vànhiều loại axitamin không thể thay thế là: Lysine,Metionin,Penylalalin,Triptophan…rất quan trọng cho trẻ đặc biệt là trẻ thiếu sữa mẹ Ngoài ra, tảocòn chứa phong phú Vitamin B12, Beta-caroten, Xanthophyll Các nghiêncứu tiếp theo được tiến hành nhiều năm tại nhiều cơ sở nghiên cứu khoa họchàng đầu thế giới về y học và điều trị chứng minh rằng, tảo Spirulinaplatensis có những công dụng rất độc đáo như: Tăng cường sức khỏe toàndiện thông qua việc cung cấp đầy đủ cho cơ thể các Vitamin, khoáng chất vàcác Axit amin thiết yếu, ngăn chặn việc tích trọng lượng thừa trong cơ thể,giảm cảm giác đói nhưng vẫn cung cấp đủ cho cơ thể các chất cần thiết cho

sự sống và phòng ngừa ung thư…Theo số liệu của Tổ chức Y tế thế giớiWHO, tảo Spirulina platensis có thể giúp con người phòng chống ít nhất là70% các loại bệnh Chính vì vậy, tảo Spirulina platensis đã được EC khuyếncáo, được WHO và các Bộ Y tế của nhiều quốc gia trên thế giới công nhậnkhông chỉ là nguồn thực phẩm sạch mà còn là giải pháp cho phòng và điềutrị bệnh của thế kỷ 21

Trong tự nhiên tảo là mắt xích quan trọng trong chuỗi thức ăn và là nguồndinh dưỡng tốt nhất trong nuôi thủy sản Do đó để phục vụ cho mục đíchnày, nhiều loài tảo đã được nghiên cứu để nuôi sinh khối trong đó có tảo