Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ dinh dưỡng NP đến sinh trưởng của tảo và loại bỏ dinh dưỡng trong nước thái sinh hoạt bởi tảo CHLORELLA VULGARIS

Trong quá trình xử lý, tảo sử dụng dinh dưỡng Nitơ, Phốtpho dưới dạngion vô cơ từ quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ để sinh trưởng phát triển, từđó loại bỏ những dinh dưỡng này khỏi nướ

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BỞI TẢO CHLORELLA VULGARIS”

Người thực hiện : Đinh Phương Thảo

Giáo viên hướng dẫn : Ts Trịnh Quang Huy

HÀ NỘI - 2016

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Đỗ Thủy Nguyên, cô ThS.Nguyễn Thị Thu Hà, giảng viên bộ môn Công nghệ môi trường, khoa Môi trường, thầy cô đã chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn toàn thể các quý thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực tập tại bộ môn.

Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của anh Trần Minh Hoàng, chị Đặng Thị Thanh Hương, anh Nguyễn Việt Vương, bạn Phạm Đình Nghĩa trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu.

Cuối cùng tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình và bạn

bè đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện khóa luận này.

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng 1 năm 2016.

Sinh viên

Đinh Phương Thảo

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước thải sinh hoạt không được xử lý hoặc xử lý không triệt để thườngchứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, Nitơ (N), Photpho (P), vi sinh vật và vikhuẩn gây bệnh Nước thải khi được đổ vào thủy vực là nguyên nhân dẫn tớisuy thoái chất lượng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Sự dư thừa các chấtdinh dưỡng này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các loài tảo, rong, rêu và cácthực vật thân mềm trong nước và cuối cùng sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằngsinh học của nước

Có nhiều công nghệ xử lý nước thải đã và đang được áp dụng Tuynhiên, việc lựa chọn giải pháp xử lý phụ thuộc nhiều vào quy phạm pháp luật

và mức độ đầu tư Hiện tại đối với các nhà máy, xí nghiệp, giải pháp xử lýchính được áp dụng là công nghệ sinh học hiếu khí hoặc công nghệ bán hiếukhí kết hợp Nhưng đối với các khu vực dân cư và hộ gia đinh giải pháp xử lýnước thải hiện áp dụng chính vẫn là sử dụng bể tự hoại Xử lý nước thải bằng

bể tự hoại chỉ được cho là giải pháp mang tính tạm thời, lý do, khả năng xử lýcủa hệ thống không cao

Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải đã được nghiên cứu và chứng minh

là đem lại hiệu quả tích cực, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môitrường Nhiều loài tảo đã được nghiên cứu nhằm phục vụ cho mục đích này

như: Chlorella (Gonzale và cs., 1997), Scenedesmus (Martinez và cs., 1999), Spirulina (Olguin và cs., 2003) Liang Wang cs (2009) đã nghiên cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nước thải sinh hoạt, tổng N và tổng P giảm được

trong nghiên cứu lần lượt là 76% và 65%, Liandong Zhu Cs (2013) cũngnghiên cứu với nước thải chăn nuôi cho thấy giá trị này lần lượt là 76% và65%

Trong quá trình xử lý, tảo sử dụng dinh dưỡng Nitơ, Phốtpho dưới dạngion vô cơ từ quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ để sinh trưởng phát triển, từ

đó loại bỏ những dinh dưỡng này khỏi nước thải Tuy vậy do nhu cầu dinhdưỡng của tế bào của tảo, tỷ lệ N:P là một trong những yếu tố ảnh hưởng đếnhiệu suất loại bỏ các dinh dưỡng trong nước thải Tỷ lệ N:P không phù hợpkhiến cho N hoặc P trở thành yếu tố cản trở hoạt động của tảo Thực tế chothấy, các nguồn nước thải giàu dinh dưỡng thường có tỉ lệ N:P không đồngđều, nước thải sinh hoạt thường có tỷ lệ N:P từ 5:1 – 12:1 (R Crites, G.Tchobanoglous, 1998), nước thải chăn nuôi 8:1 – 23:1 (Y S Choi, 2002),nước thải thủy sản, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm 3:1 – 11:1 (J.Takeda, 1998), đòi hỏi trong quá trình xử lý cần điều chỉnh tỷ lệ dinh dưỡngcho phù hợp hợp nhu cầu của tảo nhằm đảm bảo hiệu suất xử lý

Xuất phát từ thực tiễn đó chúng tôi đề xuất và tiến hành thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ dinh dưỡng N:P đến sự sinh trưởng và loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt bởi tảo Chlorella vulgaris”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ dinh dưỡng N:P đến sự sinh trưởng và

phát triển của tảo Chlorella vulgaris.

Xác định tỉ lệ dinh dưỡng N:P thích hợp cho việc loại bỏ dinh dưỡng (N,P) trong nước thải sinh hoạt

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU

2.1 Đặc điểm sinh học của tảo chlorella vulgarıs

a Đặc điểm phân loại

− Giống: Chlorella (Bold anh Wynne, 1978)

Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta Chlorella có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp

Chlorophyll -a và b trong lục lạp Thông qua quang hợp nó phát triểnnhanh chóng chỉ cần lượng khí CO2, nước, ánh sáng mặt trời và một lượngnhỏ các khoáng chất để tái sản xuất

b Hình thái cấu tạo

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

động chủ động, tế bào có dạng hình cầu hoặc hình ovan Kích cỡ tế bào từ 5µm tùy loài Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng chịu đượcnhững tác động cơ học nhẹ Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánhsáng, nhiệt độ, thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởngđến hình thái và chất lượng của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ, 1995)

2-Hình 2.1: 2-Hình thải tảo Chlorella vulgaris

Vĩ, 1995) Do vậy về mặt lý thuyết một tế bào ban đầu sau một ngày đêmnuôi trong huyền phù rất loãng có thể cho 64 - 4096 tế bào con

Trong điều kiện thuận lợi về cung cấp ánh sáng và khí CO2 khi trong môi

trường nuôi có một lượng khá nhiều muối khoáng thì tế bào Chlorella sống

với số lượng 1-2 triệu tế bào/ml chất lỏng, bắt đầu sinh trưởng nhanh, sau vàingày mật độ huyền phù đạt tới 50-500 triệu tế bào/ml huyền phù (có thể caohơn) (Trương Văn Lung, 2004)

d Các giai đoạn phát triển của quần thể tảo.

Tamiya (1963) trong nghiên cứu về vòng đời của tảo Chlorella đã chia

vòng đời của tảo làm 4 giai đoạn:

Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này cá bào tử sẽ tăng nhanh về kích

thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp

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

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

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

kích thước nhưng ko có sự phân chia

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

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

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

của một yếu tố nào đó

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

e Thành phần dinh dưỡng

Tảo Chlorella vulgaris là loài Chlorella thuần được nuôi đầu tiên vào

năm 1890 bởi M N Beijercrinck Từ đó các thí nghiệm nuôi và nghiên cứu

về Chlorella được thực hiện liên tục.

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

tốc độ sử dụng môi trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển Bảng 2.1.

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

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

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

f Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của Chlorella

 Nhiệt độ

Theo Karin và cs , (2006), các loài vi tảo thường phát triển tốt trongkhoảng nhiệt độ từ 15 – 25oC Nhiệt độ tăng làm tăng sự phát triển của tảo chođến khi đạt nhiệt độ tối ưu (Soeder , 1981) Tăng nhiệt độ quá mức tối ưu làm

giảm khả năng tổng hợp protein do đó làm giảm tốc độ tăng trưởng Chlorella vulgaris tăng trưởng tối ưu ở nhiệt độ 25oC (Konopka và cs , 1978)

 Ánh sáng

Cũng như các loài thực vật khác, tảo cũng cần ánh sáng cho quá trìnhquang tổng hợp vật chất hữu cơ từ CO2 Không chỉ vậy nó còn là nguồnnăng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng Các sinh vật

sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO2 vào các hợp chất hữu cơtrong tế bào Tảo khắc phục hạn chế ánh sáng bằng cách giảm độ bão hòacủa màng lục lạp Khi cường độ ánh sáng quá cao, vượt mức độ bão hòa sẽ

gây ra hiện tượng photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh sáng Điều này có

thể làm bất hoạt các enzym tham gia vào quá trình cố định CO2 (Iqbal và cs.,2012) Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện nuôicấy, Nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000LUX, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cần cung cấp vào khoảng 5000 –

10000 LUX

 pH

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

pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trongnước Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sựtăng trưởng của tảo (Azov và cs ,1982) Do pH cao làm tăng tính linh hoạt củathành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hình thành các tựbào tử, từ đó làm tăng thời gian hoàn thành của chu kỳ tế bào (Guckert và cs ,1990) Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit làn thay đổi sự hấp thu chất dinhdưỡng (Gensemer và cs , 1993) hoặc làm tăng khả năng phát tán kim loại độc(Sunda và cs , 1975) và do đó làm ảnh hưởng tới sự phát triển của tảo.

 Sục khí

Theo Person (1980) nhận xét giữa các chế độ sục khí liên tục bán liên tục

và không sục khí đã nhận thấy năng suất của bể sục khí cao hơn 30% so vớikhông sục khí Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trò quan trọng đặc biệt trong quátrình quang hợp, nó có thể được cung cấp bởi nguồn CO2 trong khí quyển, từkhói thải của nhà máy, trong các muối carbonate hòa tan như NaHCO3(Devgoswami, cs, 2011) Khi sục khí CO2 ở nồng độ quá lớn cũng có ảnhhưởng ức chế đến quá trình sinh trưởng của tảo

 Ảnh hưởng của dinh dưỡng đến sinh trưởng phát triển của tảo

Cacbon là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải đượccung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo Nó là yếu tố cần thiết cho quanghợp và sinh sản Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng củatảo Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat hoặcbicacbonat CO2 trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộc vào

pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng Ở những giá trị pH cao, lượng cacbonattăng và bicacbonat giảm (Chen và cs 1994) Ở những giá trị pH trung bình(pH=8,2) , 90 % cacbon hiện diện trong HCO3-, chỉ có 1% tồn tại như CO2 phân

tử và phần còn lại là bicacbonat (Eshaq và cs , 2010) Khi hàm lượng CO2 quácao có thể làm giảm nồng độ tương đối của protein và các sắc tố trong tế bàonhưng làm gia tăng hàm lượng carbohydrate Sự thay đổi trong thành phần tế

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

ba nhân tố trên là có thể giới hạn sự sinh trưởng của tảo Tuy nhiên nguồn giớihạn này có thể thay đổi và việc xác định đúng nguồn nhân tố giới hạn từ banguồn trên trong điều kiện thực tế của ao nuôi tảo cũng như các nguồn nướcthải là điều cần thiết cho việc quản lý sự phát triển của tảo (Lucc và cs 1990).Theo Round (1975) khi bất kì nhóm tảo nào phát triển chiếm ưu thế, điều này

có liên quan đến khả năng dự trữ Nitơ và Photpho trong tế bào tảo

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

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

nở hoa tảo độc hại (Sawayama et al., 1998) Prasad (1982) và Geddes (1984)

đã xem xét P và N là chìa khóa của hiện tượng phú dưỡng Vì vậy, cần nghiêncứu xử lý 2 dinh dưỡng này trong nước để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡngnguồn nước (Sawayama et al., 2000) Theo Smith (1982) và Downing (1997)thì N và P là hai chất dinh dưỡng được cho là có ảnh hưởng đến việc hạn chếsinh trưởng, phát triển của thực vật phù du (Klausmeier CA và cs 2011).Nitơ là một yếu tố dinh dưỡng góp phần quan trọng trong việc sản xuấtsinh khối tảo và tham gia vào thành phần của tế bào như axit amin, protein,amino axit… và chiếm 7% đến 20% trọng lượng khô của tế bào (Hu Q ,2004) Hầu hết các loài vi tảo có khả năng sử dụng nhiều nguồn nitơ gồm cónitơ hữu cơ (ure, glutamin, glyxin,…) và nitơ vô cơ (amoni, nitrat và nitrit).Các dạng nitơ vô cơ trong nước được tảo hấp thụ và đồng hóa thành các hợpchất sinh hóa trong cơ thể và được các tế bào sử dụng để đáp ứng các thay đổicủa nhu cầu sinh lý Tác động chủ yếu của tình trạng thiếu nitơ trong môi

trường nuôi tảo là việc giảm hàm lượng protein (Morris và cs 1997) và tăngkhả năng tích tụ các chất béo (Thompson và cs , 1996).

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

là yếu tố giới hạn đối với sự phát triển của tảo (Borchardt và cs , 1968) Hàmlượng phốtpho thấp trong môi trường cũng dẫn đến sự tích tụ các chất béo

Tổng litpit trong tảo Scendesmus sp tăng từ 23% lên 53%, đồng thời với việc

giảm nồng độ phốtpho trong nước từ 0,1 – 2,0 mg/L ( Li và cs , 2010)

2.2 Tổng quan về ứng dụng tảo trong xử lý nước thải sinh hoạt

2.2.1 Tính chất của nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt củacộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vuichơi giải trí, công sở… Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

- Nước nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ hệ thống vệ sinh

- Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt, các hoạt động sinh hoạt nhưgiặt giũ, nấu nướng tắm rửa

Hợp chất Nito có trong nước thải chủ yếu là các hợp chất amoniac,protein, peptid, axit amin,… cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn

và lỏng Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 516 g Nitơ dưới dạng protein và thải rakhoảng 30% trong số đó Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trongphân khoảng 8 lần (A Mulder 2003) Các hợp chất chứa Nitơ, đặc biệt làprotein, và urin trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thànhamoni/amoniac Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí cácchất thải, quá trình phân huỷ này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạngcarbon nhưng tác dụng giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ một phần nhỏ

thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân huỷ yếm khí.Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxyhoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp Thành phần amoni chiếm 60 - 80%hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt (R Crites, G Tchobanoglous.

1998 và WEF 1998)

Nguồn phát thải Photpho quan trọng nhất trong nước thải sinh hoạt làphân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp Lượng Photpho có nguồn gốc từphân được ước tính là 0,2 - 1,0 kg P/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg.Lượng photpho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp được ước tính là 0,3kg/người/năm Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụng photpho trong thành phầnchất tẩy rửa, lượng photpho trên giảm xuống, còn khoảng 0,1 kg/người/năm.(Lê Văn Cát, 2007) Thức ăn thừa: sữa, thịt, cá hoặc dụng cụ nấu ăn, đựng cácloại trên khi vào nước cũng thải ra một lượng photpho đáng kể

Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải sinh hoạt biến độngtheo lưu lượng nguồn nước thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độtập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ănuống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thờigian ngày tháng cũng như mức sống và tiện nghi của cộng đồng Lượng chấtthải vì vậy thường được tính theo đầu người (khối lượng khô) hoặc nồng độsau khi đã được pha loãng với mức nước sử dụng trên đầu người (ở các nướccông nghiệp khoảng 190 lít/người/ngày) hoặc trong các cống rãnh thải (450lít/người/ngày) Nồng độ pha loãng được gọi là nồng độ tại điểm xả hoặctrong cống thải (Lê Văn Cát, 2007)

2.2.2 Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải

Tảo đơn bào sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp nên sinh khối tếbào từ CO2 và nước bởi việc kết hợp Cacbon (C) với Nitơ (N) và Phốtpho (P)tại các tỉ lệ tương đối ổn định (Klausmeier CA và cs., 2004) Công thức cânbằng hóa học cho các yếu tố phổ biến nhất trong một tế bào tảo trung bình là