HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢN HƯỞNG CƯỜNG ĐỘ VÀ BƯỚC SÓNG
ĐÈN LED ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG
CHLORELLA VULGARIS

Người thực hiện

: PHẠM ĐÌNH NGHĨA

Lớp

: MTD

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn

: TS. ĐỖ THỦY NGUYÊN


Giáo viên hướng dẫn

: TS. ĐỖ THỦY NGUYÊN

Hà Nội - 2016


MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH..............................................................................................................................iv
PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ..........................................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.........................................................................................................1
PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU..........................................................................................................4
2.1. Tổng quan về tảo Chlorella.....................................................................................................4
2.1.1. Đặc điểm phân loại..........................................................................................................4
2.1.2. Hình thái, cấu tạo.............................................................................................................4
2.1.3. Quá trình sinh sản............................................................................................................5
2.1.4.Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo.........................................................................5
2.1.5. Quá trình quang hợp của tảo...........................................................................................6
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella...............................................................................10
2.2.1. Ánh sáng.......................................................................................................................10
2.2.2. Nhiệt độ.........................................................................................................................11
2.2.3. Dinh dưỡng....................................................................................................................11
2.3. Vai trò của ánh sáng đến sự sinh trưởng của tảo..................................................................14
2.3.1. Vai trò của ánh sáng tự nhiên........................................................................................14
2.3.2. Ứng dụng của ánh sáng nhân tạo trong nuôi cấy tảo.....................................................17
2.4. Ứng dụng ánh sáng đèn LED trong công nghệ xử lí nước thải..............................................18
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............................22
3.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................................................22

Bảng 4.5 : Nồng độ và hiệu suất loại bỏ thông số dinh dưỡng NH4 +, NO3-, PO43- trong
các công thức từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9..............................................................44
Bảng 4.6 : Nồng độ và hiệu suất loại bỏ thông số dinh dưỡng N tổng và P tổng trong các
công thức từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9....................................................................45

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Tảo Chlorella...................................................................................................4
Hình 2.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo.....................................................6
Hình 2.3. Cơ chế quang hợp của tảo............................................................................10
Hình 2.4. Độ sâu truyền quang của các bước sóng khác nhau.....................................16
Hình 2.5. Hiệu quả loại bỏ COD và dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu
sáng 2000μmol/m2/s. a: Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N..................................20
Hình 2.6. Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu sáng. a:
Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N..........................................................................21
Hình 3.1: Sơ đồ mặt cắt ngang các bể thí nghiệm với đèn LED lam.............................23
Hình 3.2: Bố trí thí nghiệm với đèn LED lam...............................................................24
Hình 3.3: Sơ đồ mặt cắt ngang các bể thí nghiệm với đèn LED đỏ...............................24
Hình 3.4: Bố trí thí nghiệm với đèn LED đỏ..................................................................25
Hình 3.5: Sơ đồ mặt cắt ngang các bể thí nghiệm với đèn LED lục...............................26
Hình 3.6: Bố trí thí nghiệm với đèn LED lục..................................................................26
Hình 4.1. Diễn biến pH của công thức đèn LED đỏ (bước sóng 120µmol/m2/s)..........31
Hình 4.2. Diễn biến DO của công thức đèn LED đỏ (bước sóng 120 µmol/m2/s)........31
Hình 4.3. Sự thay đổi của mật độ tảo theo thời gian giữa các công thức thí nghiệm...34
Hình 4.4. Sự thay đổi của Chlorophyll-a theo thời gian giữa các công thức thí nghiệm
.....................................................................................................................................35
Hình 4.5. Diễn biến nồng độ nitrat theo thời gian giữa các công thức.........................36
Hình 4.6. Diễn biến nồng độ amoni theo thời gian giữa các công thức.......................37



PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước thải sinh hoạt thường chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng
vô cơ và hữu cơ. Nồng độ các chất trong nước thải sinh hoạt thông thường
dao động trong khoảng: Chất rắn tan (350-1200 mg/l), cặn không tan (100350 mg/l), BOD (110-400 mg/l), TOC (80-240 mg/l), COD (250-1000 mg/l),
N-tổng (20-85 mg/l), NH3-N (12-50 mg/l), P-tổng (4-15 mg/l), P-hữu cơ (1-5
mg/l), P-vô cơ (3-10 mg/l).
Nước thải được thải ra môi trường không qua xử lý, xử lý không đúng
quy cách và tích tụ lâu ngày trong các thủy vực tiếp nhận sẽ là một gánh nặng
to lớn với môi trường (Phan Thị Công và cộng sự, 2012). Để đảm bảo nước
thải đầu ra phù hợp với quy chuẩn môi trường cần phải có các biện pháp xử lí
phù hợp.
Để hạn chế các ảnh hưởng bất lợi do nước thải, nhiều kỹ thuật xử lý đã
được nghiên cứu phát triển. Các giải pháp công nghệ xử lý nước thải giàu
dinh dưỡng đã được thử nghiệm. Tại Singapore mấy năm gần đây đã có các
công nghệ xử lí nước thải như: Công nghệ lọc Ultra (UF), công nghệ lọc thẩm
thấu ngược (RO) hay ở Israel, nước thải công nghiệp và sinh hoạt đều được
thu gom vào các hệ thống xử lý tập trung. Ở các hệ thống này sử dụng các
giải pháp xử lý dựa vào từ tính (sử dụng thanh nam châm để tách các chất hữu
cơ độc hại như dầu, chất tẩy rửa, hóa chất nhuộm và kim loại nặng trong nước
thải); xử lý bằng phương pháp kết đông điện từ (xử lý loại bỏ kim loại nặng
trong nước bằng việc đưa hyđrôxyt kim loại trùng hợp, là phương pháp dùng
để xử lý nước thải công nghiệp và đô thị); xử lý bằng cách làm lắng đọng
(nước được làm sạch bằng việc lắng chất bẩn có thể được sử dụng trong nông
nghiệp)…Các công nghệ này cho hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên chi phí đầu tư,
vận hành cao, đòi hỏi xử lý tập trung, điều này dẫn tới không khả thi trong

1


2


Chính vì vậy, tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng
cường độ và bước sóng đèn LED đến khả năng xử lý nước thải bằng
Chlorella vulgaris”

3


PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về tảo Chlorella
2.1.1. Đặc điểm phân loại
Giới: Plantae
Ngành: Chlorophyta
Lớp: Chlorophyceae
Bộ: Chlorococales
Họ: Chlorellaceae
Giống: Chlorella (Bold và Wynne, 1978)

Hình 2.1. Tảo Chlorella
2.1.2. 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 oval. Kích cỡ tế bào từ 3 5µm, hay ngay cả 2 - 4µm tùy loài, tùy điều kiện môi trường và giai đoạn
phát triển. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, chịu được những tác động
cơ học nhẹ. Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ,
thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và
chất lượng của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ,1995).




Hình 2.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo
Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào gia tăng kích
thước nhưng không có sự phân chia.
Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục, tùy 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 một yếu tố nào đó. 11 Pha quân bình: Sự cân bằng được tạo ra giữa
tốc độ tăng trưởng và các nhân tố giới hạn.
Pha suy tàn: do dinh dưỡng cạn kiệt, tảo bị suy tàn.
2.1.5. Quá trình quang hợp của tảo
2.1.5.1. Các nhóm sắc tố quang hợp của tảo
Các sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng sử dụng cho quá trình quang
hợp. Chúng định vị trong các lục lạp của thực vật hoặc phân tán trong chất tế
bào của sinh vật nhân sơ. Tất cả các sinh vật quang hợp đều chứa chlorophyl
và carotenoid. Một số khác còn chứa phycobilin. Chlorophyl a là sắc tố chính
vì năng lượng do nó hấp thụ được sử dụng trực tiếp cho các phản ứng sáng
của quang hợp. Các sắc tố còn lại là các sắc tố phụ vì năng lượng ánh sáng mà
chúng hấp thụ được đều phải truyền cho chlorophyl a.

6


- Chlorophyll (chất diệp lục)
Nhóm sắc tố quang hợp ở thực vật và một số vi sinh vật quang hợp.
Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng vùng đỏ và vùng xanh tím để lại vùng xanh
lục tạo nên màu xanh lục của lá cây. Phân tử diệp lục gồm có phần đầu thích
nước là một vòng porphyrin chứa nhân Mg và một cái đuôi hydrat carbon dài
kỵ nước (rượu phytol). Nhóm chất diệp lục ở vi khuẩn quang hợp về mặt cấu

bề mặt. Phycobilin gồm phycoerithrin và phycoxianin. Quang phổ hấp thụ
cực đại trong dung dịch clorophooc của phycoerithrin ở 550nm và
phycoxianin ở 612nm (Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn, 2005).
2.1.5.2.Cơ chế quang hợp của tảo Chlorella
Cũng như các loài thực vật khác, tảo tổng hợp cacbon vô cơ thành các
vật chất hữu cơ nhờ quá trình quang hợp do đó ánh sáng đóng vai trò quan
trọng trong quá trình này. Cường độ ánh sáng cần thiết cho nuôi cấy tảo thay
đổi tùy theo mật độ tảo, độ sâu nước nuôi, dụng cụ nuôi cấy. Quá trình quang
hợp của tảo sẽ gia tăng khi cường độ bức xạ mặt trời gia tăng và sẽ giảm khi
cường độ bức xạ mặt trời giảm (Trương Quốc Phú, 2006). Tảo sử dụng chất
Chlorophyll và một số chất màu quang hợp để hấp thụ ánh sáng mặt trời để
biến đổi năng lượng hóa học dự trữ trong ATP và một số chất khử khác (Lê
Văn Cát, 2006). Năng lượng mà tảo hấp thu được chuyển hóa từ dạng carbon
vô cơ ( khí CO2, độ kiềm HCO3 - thành dạng carbon hữu cơ ở dạng đơn giản
nhất là đường đơn qua quá trình quang hợp. Theo Graham và cộng sự, (2000)
tảo có đặc điểm hiệu ứng lại với sự tăng lên của cường độ ánh sáng.
2.1.5.2.1.Pha sáng quang hợp
Quang hoá là giai đoạn chuyển hoá năng lượng của các điện tử ở hai
tâm quang hợp đã được làm giàu bởi năng lượng ánh sáng thành năng lượng
của các hợp chất giàu năng lượng là ATP và NADPH.
Quang hoá được thực hiện tại hai tâm quang hợp với sự tham gia của
hai hệ thống quang hoá I và II (PSI và PSII). Hoạt động chính của giai đoạn
quang hoá là quá trình quang phân ly nước và quá trình photphoryl hoá.

8


2.1.5.2.2. Pha tối quang hợp
Sau khi pha sáng tạo ra ATP và NADPH2, giai đoạn tiếp theo của
quang hợp là sử dụng ATP. NADPH 2 để khử CO2, tạo nên các sản phẩm của

phát triển của tảo (Iqbal và cộng sự, 102). Ở điều kiện thiếu ánh sáng trong
thời gian dài chúng sẽ thích nghi bằng cách tăng hàm lượng Chlorophyll trong
cơ thể. Đặc tính ánh sáng khác nhau sẽ tạo ra Chlorophyll khác nhau và cũng
ảnh hưởng đến quang hợp của tảo, mặt khác nó còn ảnh hưởng đến sinh
trưởng và tỷ lệ sinh khối ( Hu, 2003). Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi
rất lớn tùy theo điều kiện nuôi. Nuôi trong bình thủy tinh, dung tích nhỏ cần
cường độ ánh sáng khoảng 1.000 lux, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cũng
lớn khoảng 5.000 – 10.000 lux. Sử dụng ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu
sáng ít nhất 18 giờ/ngày. Nuôi tảo Chlorella trong quy trình nước xanh cải
tiến bằng cá rô phi, cường độ ánh sáng cần khoảng 4.000 – 30.000 lux

10


(Nguyễn Thanh Phương và cộng sự, 2003). Ngoài cường độ ánh sáng, chu kỳ
ánh sáng và các thành phần quang phổ của ánh sáng cũng tác động tới sự phát
triển của tảo. Trong điều kiện cường độ ánh sáng cao, hiệu quả sử dụng ánh
sáng có thể được tối ưu hóa bằng cách kéo dài thời gian tối. Điều này cho
phép bộ máy quang hợp trong tế bào tảo sử dụng được hết các photon hấp thụ
được và chuyển chúng thành năng lượng hóa học, do vậy tránh được ảnh
hưởng của photoinhibition. Theo Emerson và cộng sự , (1943), ánh sáng màu
xanh lam (456 nm) và ánh sáng màu đỏ(660 nm) có hiệu quả nhất đối với sự
quang hợp của tảo Chlorella vulgaris.
2.2.2. Nhiệt độ
Mỗi loài tảo cần nuôi ở một khoảng nhiệt độ nước thích hợp, ngoài
ngưỡng nhiệt độ tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết. Nhìn chung nhiệt
độ tốt nhất cho sự phát triển của tảo nằm trong khoảng 23 – 30 0C tùy loài, ở
400C tế bào tảo sẽ bị tổn hại ( Richmond, 1986 ). Tuy nhiên nhiệt độ tối ưu cho
tảo Chlorella Vulgaris là 250C, nhưng có thể chịu đựng được nhiệt độ 370C
(Liao,1983)

dụng nguồn nitrate là urea trong khi Chlorella có tốc độ phát triển cao giai
đoạn tăng trưởng khi sử dụng amonium. Tùy loài Chlorella mà có sự tích lũy
acid béo hoặc tinh bột khác nhau: C. Ellipsoidea SK và C. Pyrenoidosa sẽ
tăng acid béo trong khi Chlorella chỉ tăng về carbonhydrate và C. Vulgaris
tăng cả về carbon và acid béo. Sự thay đổi quá trình trao đổi chất kết hợp với
tốc độ phát triển của tế bào tảo giảm dưới điều kiện thiếu nitrogen (Oh –
Hama, 1986).
2.2.3.2. Photpho
Photpho là một trong những nhân tố chính trong thành phần của tảo.
Photpho có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra trong tế bào đặt biệt
là quá trình chuyển hoá năng lượng và tổng hợp acid nucleic. Giống như nitơ,
photpho cũng là yếu tố giới hạn sinh trưởng của tảo. Tảo sử dụng chủ yếu là
photpho vô cơ. Photpho hữu cơ thường được thuỷ phân bởi các enzym ngoại
bào như phosphoesterase, phosphatase để chuyển sang dạng photpho vô cơ dễ

12


tiêu. Việc hấp thu photpho ở tảo được kích thích bởi ánh sáng. Photpho
thường tồn tại ở hai dạng photphat hữu cơ ( DIP) hoặc photpho vô cơ hoà tan
( DOP). Hầu hết photpho hoà tan là DOP. DIP thường ở dạng Orthophosphat
(PO43- ) và một ít Monophosphat ( HPO4 2- ) và Dihydrogen phosphat
(H2PO4-). Tảo chỉ có thể sử dụng photphat hữu cơ hoà tan. Khi môi trường
thiếu photphat hữu cơ hoà tan, tảo có thể tiết ra enzym alkaline phosphatase,
đây là một loại enzym ngoại bào có khả năng giải phóng photphat trong phạm
vi chất hữu cơ. Hơn nữa, khi hàm lượng photphat hữu cơ hoà tan biến động
trong khoảng thời gian ngắn thì tảo có thể hấp thu và dự trữ photphat trong tế
bào. Trong thời gian biến động, một tế bào tảo có thể dự trữ photphat đủ cho
sự phân chia 20 tế bào (Graham, 2000). 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

λ: bước sóng ánh sáng (nm)
C: tốc độ ánh sáng (3.1010 cm/s)

Từ công thức trên, chúng ta có thể tính được năng lượng của
các tia sáng khác nhau. Năng lượng được tính theo đơn vị eV hay Kcalo.
Bảng 2.1. Các trị số năng lượng của ánh sáng
TT

Bước sóng

Tần số (γ

E/Photon

E/Einstein

Photon

1
2
3
4

λ (nm)
400
500
600
700

= c/ λ)

kích động điện tử (excited). Từ trạng thái hoạt hoá các phân tử mới thực hiện

14


các biến đổi tiếp theo.
Trong đó:

A là trạng thái không hoạt động
A* là trạng thái kích thích

Bức xạ quang hợp (photosynthetic radiation) có bước sóng từ 400 nm
đến 700 nm (bức xạ ánh sáng nhìn thấy) có hiệu quả đối với quang hợp. Theo
lý thuyết, hiệu quả này từ 19 – 32%, nhưng thực tế chỉ từ 1,5 – 5%.
Năng lượng sóng ánh sáng có thể được chuyển hóa thành năng lượng
tiềm tàng thông qua chu trình sinh hóa như quang hợp. Ánh sáng cũng có thể
bị hấp thụ và biến đổi thành nhiệt bởi các hạt lơ lửng và các chất hòa tan trong
nước. Nước hấp thụ mạnh đối với bước sóng hồng ngoại (>750 nm), giảm đi
đối với dải bước sóng nhìn thấy (750-350 nm) và tiếp tục giảm với bước sóng
tử ngoại (
cậy, chlorophyll-a được sử dụng rộng rãi để ước tính sinh khối tảo.
Ánh sáng đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của tảo.
2.3.2. Ứng dụng của ánh sáng nhân tạo trong nuôi cấy tảo
2.3.2.1. Ánh sáng trắng (ánh sáng đèn huỳnh quang)
Ánh sáng trắng (ánh sáng đèn huỳnh quang) cho ra ánh sáng rất gần với
ánh sáng mặt trời. Ánh sáng trắng (đa sắc) cho hiệu quả xử lý ở mức trung
bình bởi nó chứa cả những ánh sáng hiệu quả cao và hiệu quả thấp (Chen Yan
et al, 2013). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Kim và cộng sự (2012) lại chỉ
ra rằng tốc độ sinh trưởng của tảo khi sử dụng ánh sáng trắng (400 – 700 nm)
tăng 45% so với sử dụng từng ánh sáng đơn sắc (đỏ, xanh lam, xanh lục). Do
vậy, sự kết hợp giữa các bước sóng một cách hợp lý cũng đem lại hiệu quả
cao
2.3.2.2.Ánh sáng ánh sáng đơn sắc ( ánh sáng đèn LED )
Ánh sáng đơn sắc phù hợp có tác dụng kích thích sinh trưởng của tảo.
Trong nghiên cứu của mình, Das P. và cộng sự (2011) đã xác định được tốc
độ tăng trưởng riêng của Nannochloropsis trong điều kiện ánh sáng LED xanh
lam (470nm) là 0.61 (ngày-1). Dưới điều kiện ánh sáng trắng và đỏ, sinh khối
khô tảo C. vulgaris tăng lần lượt gấp 2.5 và 3 lần sau 10 ngày nghiên cứu
(Chen Yan et al, 2013). Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, tảo sử dụng
nguồn C, N, P trong nước để tổng hợp sinh khối và các chất cần thiết cho cơ
thể chúng (Munoz and Guieysse, 2006; Kumar et al, 2010), do vậy sự phát
triển của tảo sẽ giúp loại bỏ các chất nhiễm bẩn (dinh dưỡng, chất hữu cơ)
trong nước.

17


2.4. Ứng dụng ánh sáng đèn LED trong công nghệ xử lí nước thải
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu
về việc ứng dụng đèn LED để xử lý nước thông qua hoạt động của thực vật