BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------

HOÀNG THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
TĂNG TRƯỞNG SINH KHỐI VI TẢO VÀ
HIỆU SUẤT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐOÀN THỊ THÁI YÊN

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả. Các số liệu
nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chính xác. Những tài liệu sử dụng trong
luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng.
Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2013
Học viên

Hoàng Thị Thu Trang


LỜI CẢM ƠN
Trong khoảng thời gian thực hiện đề tài tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự động

1.1.3. Sinh sản ..........................................................................................12
1.1.4. Các giai đoạn phát triển của tảo [5] ................................................13
1.1.5.Thành phần dinh dƣỡng của vi tảo ..................................................14
1.1.6. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự phát triển của tảo ........................15
1.2. Ứng dụng của tảo Chlorella trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi ...............18
1.2.1. Tổng quan về nƣớc thải chăn nuôi .................................................18
1.2.2. Ứng dụng của vi tảo trong xử lý nƣớc thải.....................................22
CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................24
2.1. Hóa chất, thiết bị thí nghiệm và nƣớc thải ............................................24
2.2. Chuẩn bị giống tảo sạch làm thí nghiệm ...............................................25
2.3. Phƣơng pháp xác định sinh khối tảo .....................................................26
2.4. Phƣơng pháp xác định các chỉ tiêu môi trƣờng nghiên cứu ..................27
2.5. Thí nghiệm ảnh hƣởng của nồng độ nƣớc thải đầu vào (tỉ lệ pha loãng)
........................................................................................................................29
2.6. Thí nghiệm ảnh hƣởng của loại ánh sáng ..............................................30
2.7. Thí nghiệm ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng .....................................31
2.8. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ ...................................32
1


2.9. Xử lý số liệu ..........................................................................................33
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................34
3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ nƣớc thải đầu vào (tỉ lệ pha loãng) ................34
3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của loại ánh sáng .................................42
3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng ........................45
3.4. Kết quả nghiêncứu ảnh hƣởng của nhiệt độ ..........................................49
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .............................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................54
PHỤ LỤC .........................................................................................................57




DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thành phần hóa học trong tảo Chlorella vulgaris[9] ......................14
Bảng 1.2. Tính chất nƣớc thải chăn nuôi gia súc[2].........................................19
Bảng 2.1. Thành phần của môi trƣờng BG-11 .................................................24
Bảng 3.1. Kết quả phân tích các thông số nƣớc thải đầu vào theo các mức pha
loãng khác nhau ................................................................................................34
Bảng 3.2. Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP ở các loại ánh sáng khác nhau ......44
Bảng 3.3. Hiệu suất xử lý COD, TKN và TP theo cƣờng độ ánh sáng ............48
Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP ở các mức nhiệt độ khác nhau ......50

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hình ảnh Tảo Chlorella vulgaris dƣới kính hiển vi ............................9
Hình 1.2. Sơ đồ quá trình sinh sản của tảo .......................................................12
Hình 1.3. Các giai đoạn phát triển đặc trƣng của tảo .......................................13
Hình 1.4. Một số hệ thống xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn ................................21
Hình 2.1. Bố trí thí nghiệm nhân giống tảo ......................................................26
Hình 2.2. Bố trí thí nghiệm về ảnh hƣởng của loại ánh sáng ...........................30
Hình 2.3. Bố trí thí nghiệm ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng .......................31
Hình 2.4. Bố trí thí nghiệm ảnh hƣởng của nhiệt độ ........................................32
Hình 3.1. Đƣờng cong sinh trƣởng của Chlorella vulagaris B5 trong nƣớc thải
chăn nuôi lợn ở các mức pha loãng khác nhau.................................................35
Hình 3.2. Nồng độ sinh khối khô của tảo nuôi trong nƣớc thải pha loãng ở các
mức khác nhau ..................................................................................................37
Hình 3.3. Diễn biến của COD theo thời gian nuôi tảo ở các tỉ lệ pha loãng
nƣớc thải khác nhau ..........................................................................................38

học, lý, hóa, sinh học nhằm giữ lại các chất ô nhiễm hoặc chuyển chúng từ dạng
độc sang dạng không độc hoặc ít độc và thải ra môi trƣờng trong đó công nghệ sử
dụng bể Biogas, UASB đƣợc sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên những công nghệ này
có hiệu quả không cao, nƣớc thải sau xử lý vẫn còn một hàm lƣợng các chất hữu
cơ cần đƣợc xử lý.
Với nhiều ƣu thế nhƣ sinh trƣởng phát triển nhanh, năng suất sinh khối và
hàm lƣợng lipid cao hơn các loài thực vật khác, dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh đất
nông nghiệp và không cần nguồn nƣớc sạch, thân thiện với môi trƣờng…. Vi tảo
(Microalgae) đang đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới trong đó có Việt Nam tập trung

6


nghiên cứu và đƣa vào sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học và xử lý môi
trƣờng trên quy mô rộng rãi.
Ở Việt Nam, Chính phủ đã quan tâm nhiều đến việc phát triển nhiên liệu sinh
học và xử lý môi trƣờng từ vi tảo. Năm 2009, chƣơng trình nghiên cứu quy trình
công nghệ nuôi trồng và sản xuất vi tảo làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu
sinh học đã đƣợc phê duyệt [12]. Tuy nhiên, một thách thức đặt ra đối với sản xuất
nhiên liệu sinh học từ tảo của nƣớc ta là giá thành hiện tại vẫn còn rất cao so với
nhiên liệu từ hóa thạch. Do vậy, phƣơng án để hạ giá thành nguyên liệu là nuôi tảo
bằng nƣớc thải giàu chất hữu cơ nhƣ nƣớc thải chăn nuôi, giết mổ, chế biến thực
phẩm, nƣớc thải sinh hoạt.....là một trong những phƣơng án tối ƣu. Với những ƣu
thế của mình, nƣớc thải chăn nuôi đƣợc xem là một trong các môi trƣờng thuận lợi
nhất cho việc nuôi trồng vi tảo nhằm mục đích cho việc sản xuất nhiên liệu sinh
học và xử lý môi trƣờng.
Vi tảo là một loài sinh trƣởng và phát triển chịu ảnh hƣởng nhiều bởi các
yếu tố ngoại cảnh nhƣ: pH môi trƣờng, nồng độ dinh dƣỡng, cƣờng độ ánh sáng,
loại ánh sáng, nhiệt độ và một số các yếu tố khác…. Do đó nhằm sớm triển khai
áp dụng công nghệ nuôi trồng vi tảo trong môi trƣờng nƣớc thải chăn nuôi vào

học Bách Khoa Hà Nội.
* Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Khai thác và kế thừa kết quả của các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
- Thực hiện các thí nghiệm khảo sát trong quy mô phòng thí nghiệm từ đó
tổng hợp đƣa ra điều kiện môi trƣờng tối ƣu cho sự tăng trƣởng sinh khối và hiệu
quả xử lý nƣớc thải của vi tảo Chlorella vulgaris.

8


CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG TẢO
CHLORELLA TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
1.1. Đặc điểm phân loại và đặc điểm sinh học tảo Chlorella
1.1.1. Đặc điểm phân loại
Vị trí phân loại của Chlorella đƣợc xác định nhƣ sau:
Giới:

Plantae

Ngành:

Chorophyta.

Lớp: Chlorophyceae.
Bộ: Chlorococales.
Họ: Cholorellaceae.
Giống: Chlorella.
Hiện nay số lƣợng các loài trong chi là khoảng 76 loài trong cơ sở dữ liệu, có
29 loài đã chứng nhận về mặt phân loại. Một số loài Chlorella nổi bật nhƣ:
Chlorella

Sự thay đổi của các điều kiện môi trƣờng nhƣ ánh sáng, nhiệt độ và thành
phần các chất hóa học trong môi trƣờng sẽ ảnh hƣởng đến hình thái và chất lƣợng
của tế bào tảo[10].
* Cấu trúc tế bào:
Chlorella chỉ có một tế bào duy nhất, vì vậy cấu tạo và sinh lý của tảo mang
đặc điểmcủa tế bào nói chung. Chlorella hấp thụ CO2 và các chất dinh dƣỡng từ
môi trƣờng bên ngoài để sản xuất các chất có giá trị nhƣ: protein, lipid, glucid,
vitamin,…
Nhờ có chất diệp lục Chlorella có thể tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết.
Chlorella không có cơ quan hô hấp độc lập, oxy cần thiết đƣợc thấm qua toàn bộ
bề mặt của màng vào trong tế bào.
Mỗi tế bào Chlorella gồm nhân thật, hạt tinh bột, lục nạp và ti thể với vách tế
bào chủ yếu là cellulose[9].
* Màng tế bào:
Màng tế bào có vách cellulose bao bọc tế bào chất (plasmalemma) có chiều
dày là 10-2 µm. Tùy vào điều kiện tăng trƣởng và trạng thái mà tế bào tảo có chiều
dày khác nhau. Ban đầu màng tế bào xuất hiện ở dạng peptit sau đó chuyển thành
dạng xenluloza. Màng mang chức năng bảo vệ và chống đỡ các điều kiện bên
ngoài[9].

10


Trên bề mặt tế bào có những lỗ, tế bào trao đổi chất với môi trƣờng bên
ngoài thông qua các lỗ này. Thành tế bào chiếm 13 – 15% trọng lƣợng khô của tế
bào. Trong đó lƣợng lipid chiếm 7,2% còn lại là protein và hydratcacbon. Thành
tế bào Chlorella có hai thành phần từ chất cơ bản vô định hình và màng[9].
* Tế bào chất và những thành phần trong tế bào chất: [9]
Tế bào chất là thành phần chính của tế bào, đó là những chất nhầy trong suốt
dạng hạt không màu và chứa đầy trong thành tế bào. Các cơ quan khác nhƣ nhân,

liên tiếp thành 2, 4 , 8 tế bào riêng lẻ. Các tế bào con tự tạo cho mình lớp vỏ mới,
vỏ cũ mở ra và phóng thích tế bào con. Các tế bào con sẽ lớn lên tới mức nào đó
rồi quay lại chu kỳ nhƣ lúc ban đầu. Quá trình sinh sản của tảo đƣợc thể hiện cụ
thể qua hình sau:

Tảo Chlorella trƣởng thành

Tảo Chlorella đang
phân chia

Tảo Chlorella
con

Tảo Chlorella đã phân chia
Hình 1.2. Sơ đồ quá trình sinh sản của tảo
Sự phân bào diễn ra nhanh chóng nếu đầy đủ dinh dƣỡng và điều kiện cần
thiết, sau 20h – 24h tế bào tảo sẽ phân chia thành bốn tế bào con làm cho nƣớc có
màu lục.

12


1.1.4. Các giai đoạn phát triển của tảo [7]
Với chế độ dinh dƣỡng thích hợp và điều kiện lý, hóa học thuận lợi thì quá
trình sinh trƣởng của tảo sẽ trải qua 5 pha phát triển nhƣ sau:
- Pha gia tốc dương: Trong giai đoạn này vi tảo bắt đầu có sự tiếp xúc và
dần thích nghi với môi trƣờng sống. Cơ thể tiến hành hấp thu các chất dinh dƣỡng
và phân cắt tế bào. Ở môi trƣờng thuận lợi và có dinh dƣỡng phong phú thì quần
thể có tốc độ sinh trƣởng nhanh. Tuy nhiên do số lƣợng tảo giống ban đầu ít nên
sự sinh trƣởng của quần thể tảo trong giai đoạn này diễn ra chậm.

Thành phần

Hàm lƣợng

STT

Thành phần

Hàm lƣợng

1

Protein tổng số

40 -60%

10

Tro

10-34%

2

Glucid

25-35%

11


Sterin

0,1-0,5%

14

B6

2,3 mg/100g

6

β-Caroten

0,16%

15

B2

3,5 mg/100g

7

Xanthophyll

3,6-6,6%

16


protein, glucid, lipid... Khả năng hấp thu này có thể thay đổi tùy theo các điều
kiện môi trƣờng nhƣ ánh sáng, nhiệt độ và độ mặn....
Tế bào Chlorella vulgaris rất giàu protein, vitamin và các khoáng chất, các
protein của loại tảo này chứa tất cả các amino acid cần thiết cho nhu cầu dinh
dƣỡng của ngƣời và động vật.

14


Ngoài ra trong thành phần của Chlorella vulgaris còn có nhiều loại vitamin
nhƣ: vitamin C, tiền vitamin A (β-Caroten), riboflavin (B2), pyridoxine (B6),
niacin (vitamin PP), axit phanthothenic (vitamin B3), vitamin B12, .... Các
nguyên tố khoáng ở Chlorella vulgaris gồm có: photpho, canxi, kẽm, iod, magie,
sắt, đồng.
1.1.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo
a. pH
pH của môi trƣờng có ảnh hƣởng rất lớn đến sự phát triển của tảo, khi pH
của môi trƣờng quá cao hoặc quá thấp đều làm chậm tốc độ tăng trƣởng của tảo,
có thể dẫn tới tàn lụi.
Mỗi loại tảo đều sinh trƣởng và phát triển ở một khoảng giá trị pH nhất định.
Thông thƣờng khoảng pH cho phép dao động trong khoảng từ 7-9.
Giống tảo Chlorella vulgaris phát triển bình thƣờng ở giá trị pH thích hợp từ
6 – 8,5. Trong đó, tảo cho sinh khối lớn nhất tải khoảng pH từ 5,5 đến 7,0 còn tại
pH 11,5 gần nhƣ tảo không phát triểnđƣợc, tại pH = 3,0 thì tảo vẫn có thể tồn tại
nhƣng bị kìm hãm mọi hoạt động[13].
b. Dinh dƣỡng
Dinh dƣỡng cho tảo bao gồm: Các chất dinh dƣỡng đa lƣợng cần thiết là
Cacbon, Nito, phospho và các nguyên tố vi lƣợng đƣợc coi là không thể thay thế
đối với sinh trƣởng và phát triển của tảo nhƣ: Fe, Mn, Cu, Zn và Cl. Đây là yếu tố
quan trọng nhất, có tính chất quyết định đến sự sinh trƣởng, phát triển của vi tảo

trƣởng và phát triển của tảo Chlorella vulgaris. Phần lớn những quá trình của tế
bào mà đặc biệt là những quá trình liên quan đến sự chuyển hóa năng lƣợng và
tổng hợp acid nucleic, phospho đều giữ một vai trò quan trọng[8].
Dạng phospho chính mà tế bào tảo Chlorella vulgaris sử dụng là dạng
phospho vô cơ H2PO4- và HPO42-.
Nồng độ phospho khác nhau trong môi trƣờng nuôi ảnh hƣởng không rõ rệt
đến sinh trƣởng của tảo nhƣng có ảnh hƣởng tới quá trình quang hợp và hình thái
của tảo. Tuy nhiên, nếu thiếu phospho trong môi trƣờng nuôi sẽ làm giảm quá
trình sinh trƣởng, phân chia tế bào, làm hình thái và kích thƣớc tế bào tảo thay
đổi[1].

16


c. Nhiệt độ
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng lớn đến sự sinh trƣởng và
phát triển của tảo là nhiệt độ. Nhiệt độ không chỉ ảnh hƣởng tới quá trình trao đổi
chất mà còn ảnh hƣởng tới tốc độ vận chuyển và đặc tính sinh khối của tảo.
Dải nhiệt độ tối ƣu của Chlorella trong khoảng từ 25oC-35oC , nhƣng theo
một số nghiên cứu cho rằng nhiệt độ ảnh hƣởng đến tốc độ sinh trƣởng của tảo
tuân theo định luật Vanhofl-Arenius trong giới hạn từ 10oC-40oC [15].
Đối vớiChlorella vulgaris thì nhiệt độ thích hợp nhất chosinh trƣởng và phát
triển nằm trong khoảng 25 – 300C, đặc biệt tảo Chlorella vulgaris có thể chịu
đựng nhiệt độ cao đến 37 0C[28].
d. Khuấy sục môi trƣờng nuôi
Năng suất của tảo phụ thuộc nhiều vào điều kiện khuấy sục của môi trƣờng
nuôi. Một số nhận xét về sự khuấy sục môi trƣờng cho thấy, ở chế độ khuấy sục
môi trƣờng thì năng suất sinh khối tảo thu đƣợc cao hơn 30% so với ở chế độ
không khuấy sục.
Nhờ có khuấy sục môi trƣờng mà các chất dinh dƣỡng đƣợc phân bố đều

môi trƣờng không khí…. Tảo bị nhiễm tạp sẽ bị ức chế về nhiều mặt trong quá
trình phát triển dẫn đến sinh khối đạt không cao và chất lƣợng tảo giảm. Những
tác hại chính của sự tạp nhiễm là sự cạnh tranh về dinh dƣỡng, ánh sáng, CO 2…
Do đó phải lựa chọn giống tảo khỏe, có khả năng thích nghi tốt với thời tiết và
điều kiện nuôi, có khả năng cạnh tranh cao đối với các loài tạp nhiễm.
1.2.Ứng dụng của tảo Chlorella trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi
1.2.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi
Nƣớc thải chăn nuôi lợn chủ yếu phát sinh từ công đoạn tắm cho lợn và rửa
chuồng, vì vậy mà thành phần của nƣớc thải chủ yếu là phân và nƣớc tiểu. Đó là
lý do mà hàm lƣợng các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh trong
nƣớc thải cao có khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng nếu không
đƣợc xử lý triệt để.
Trong nƣớc thải chăn nuôi, các hợp chất hữu cơ chiếm 70÷80% gồm
cenllulose, protit, axit amin, chất béo, hydrat cacbon và các dẫn xuất của chúng.
Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất vô cơ chiếm 20÷30% gồm
cát, đất, muối, urê, amonium, muối chlorua, SO 42-, …Ngoài ra trong nƣớc thải

18


chăn nuôi heo còn chứa hàm lƣợng N và P rất cao do khả năng hấp thụ của gia súc
đối với các chất này rất kém. Bên cạnh đó thì nƣớc thải chăn nuôi cũng chứa nhiều
loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh[14].
Theo kết quả khảo sát chất lƣợng nƣớc thải tại các trang trại của
t ng

t

tài



6,9 – 7,8

6–9

5,6 – 9

DO

mg/l

0,3 – 1,7

-

-

COD

mg/l

2500 – 12.120

75

150

BOD5

mg/l


190 – 5830

50

100

NH4+

mg/l

85 – 865

5

10

Coliform

MPN/100ml

4.104– 108

3000

5000

QCVN 40:2011/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước
thải công nghiệp[2].
19

đang là một trong những hƣớng xử lý rất có triển vọng, chúngkhông chỉ là loài thủy
sinh có khả năng xử lý nƣớc thải rất hiệu quả, các thiết bị nuôi đơn giản, chi phí vận
hành thấp, đặc biệt Chlorellacòn có ứng dụng rất lớn trong thực tiễn nhƣ làm thức

21


ăn giàu dinh dƣỡng cho nuôi trồng thủy sản (tôm, cá), thức ăn cho động vật, làm
nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học….
1.2.2. Ứng dụng của vi tảo trong xử lý nước thải
Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm khoảng 2/3.
Vai trò quan trọng của vi tảo thể hiện qua quá trình quang hợp hấp thụ CO 2, cung
cấp O2 cho các sinh vật khác trên trái đất, khép kín vòng tuần hoàn vật chất và làm
tăng tốc độ quay vòng của các chu trình đó. Nguồn cung cấp CO 2 có thể do vi sinh
vật hoạt động thải ra trong nƣớc, phân hủy các chất hữu cơ tạo thành để cung cấp
cho tảo hoặc sử dụng trực tiếp từ không khí.
Cho đến nay, việc ứng dụng vi tảo (Microalgae) vào xử lý nƣớc thải giàu
nitơ và phospho đã đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc nghiên cứu. Cơ
sở sinh học cho việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nƣớc thải là dựa vào đặc tính
sinh trƣởng tự nhiên, tảo sử dụng CO 2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và
nguồn nitơ, phospho vô cơ để cấu tạo tế bào dƣới tác dụng của năng lƣợng ánh
sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí O 2 ra ngoài môi trƣờng nuôi, dẫn đến màu
nƣớc tốt, giàu ôxy.... Tảo lúc này giữ vai trò nhƣ nhà máy lọc sinh học tự nhiên
khổng lồ, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm sau cùng của
quá trình phân huỷ hữu cơ, khí độc hại,… chuyển hoá chúng sang dạng ít độc hại
hoặc phân giải, phân huỷ chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại.
Hầu hết các loại nƣớc thải đô thị, nông nghiệp, phân gia súc đều có thể đƣợc xử lý
bằng vi tảo. Những loài tảo nƣớc ngọt đƣợc sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý
nƣớc thải chủ yếu thuộc các chi Brown algae, Chlorella, Spirulina….
Từ nhiều năm qua, đã có nhiều nghiên cứu về việc ứng dụng của các loài