HỌC VIÊN NÔNG NGHIÊP VIÊT NAM

TRẦN MINH HOÀNG

MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HÊ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI GIÀU DINH DƯỠNG BẰNG TẢO
CHLORELLA VULGARIS

Chuyên ngành:

Khoa hoc môi trương

Mã số:

60.44.03.01

Ngươi hướng dẫn khoa hoc:

TS. Đỗ Thủy Nguyên

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ của tôi có sử dụng và kế thừa số liệu của đề tài nghiên cứu khoa
học cấp Học viện với tên đề tài “Xây dựng mô hình xử lý nước thải giàu dinh dưỡng
Nitơ và photpho từ bể phốt sử dụng vi tảo Chlorella vulgaris”.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tay tôi tiến hành cùng với
sự giúp đỡ của Bộ môn Công nghệ Môi trường (Học viện Nông nghiệp Việt Nam), các
kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa
từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào.

năm 2016
Tác giả luận văn

Trần Minh Hoàng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................i
Tác giả luận văn.................................................................................................................i
Trần Minh Hoàng................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................ii
Tác giả luận văn.................................................................................................................ii
Trần Minh Hoàng...............................................................................................................ii
MỤC LỤC..........................................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG...........................................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH...........................................................................................................viii
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN....................................................................................................ix
THESIS ABSTRACT.........................................................................................................xi
PHẦN 1. MỞ ĐẦU.............................................................................................................1

1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI...................................................................
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU..........................................................................
PHẦN 2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU......................................................3

2.1. ĐẶC TÍNH SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA TẢO TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI................................................................................................
2.1.1. Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris........................................................................
2.1.2. Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải........................................................................

PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................................37

4.1. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH TRƯỞNG, HIỆU QUẢ XỬ LÝ
NƯỚC THẢI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH
TRƯỞNG CỦA VI TẢO CHLORELLA VULGARIS...............................
4.1.1. Khả năng sinh trưởng và khả năng xử lý N,P của vi tảo Chlorella vulgaris
trong nước thải.......................................................................................................
b. Hiệu quả xử lý của vi tảo Chlorella vulgaris trong hệ thống biorector.......................
4.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới sInh trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong hệ
thống bIorector.......................................................................................................
4.1.2.2. Ảnh hưởng của ánh sáng tới sinh trưởng của tảo...............................................

4.2. THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG
VI TẢO CHLORELLA VULGARIS TRONG HỆ THỐNG MÔ
HÌNH XỬ LÝ QUY MÔ PILOT NGOÀI TRỜI........................................
4.2.1. Hiệu quả xử lý của hệ thống HRAPs trong điều kiện ngoài trời...........................
4.2.2. Hiệu quả xử lý của hệ thống HRAPs trong điều kiện ánh sáng nhân tạo..............

4.3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG KHẢ NĂNG XỬ LÝ
CỦA HỆ THỐNG HRAPS.........................................................................
4.3.1 Lựa chọn và xây dựng mô hình..............................................................................
4.3.2. Ứng dụng Matlab trong việc xây dựng mô hình về sự phát triển của tảo

iv


trong môi trường....................................................................................................
4.3.3. Kết quả mô phỏng và kết quả kiểm chứng mô hình toán......................................
PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..............................................................................68


:
:
:
:
:
:
:
:

Nghĩa tiếng Việt
Phân tích phương sai
Nhu cầu Oxy sinh học
Bộ tài nguyên môi trường
Nhu cầu Oxy hóa học
Oxy hòa tan
Độ dẫn điện
Thế oxy hóa
Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao

:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:

nước thải đến sinh trưởng của tảo C.vulgaris..................................41
Bảng 4.4. Tính chất nước thải đầu vào của thí nghiệm...................48
Bảng 4.5 Tổng hợp các mô hình toán mô phỏng khả năng sinh
trưởng của tảo trong bể phản ứng sinh học.....................................52
Bảng 4.6. Tính toán giá trị RMSE giữa kết quả chạy mô hình và kết
quả đo..............................................................................................66

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Tảo Chlorella.............................................................3
Hình 2.2. Đường cong sinh trưởng của tảo...............................5
Hình 2.3. Mô hình hệ thống HRAPs.......................................17
Hình 2.4. Sơ đồ của một hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao. .20
Hình 2.5. Sơ đồ mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ thống
HRAPs.....................................................................................20
Hình 2.6. Ba loại mô hình của Bechet và cs. (2013)...............26
Hình 2.7 Mô hình bởi Eilers và Peeters (1988).......................28
Hình 4.1. Đường cong sinh trưởng của tảo trong các công thức
thí nghiệm................................................................................37
Hình 4.2. Diễn biến các thống số dinh dưỡng trong quá trình
xử lý nước thải sử dụng tảo.....................................................40
Hình 4.3. Mật độ và chlorophyll-a của tảo trong nước thải tại
các bước sóng ánh sáng khác nhau..........................................43
Hình 4.4. Diễn biến mật độ tảo và chlorophyll-a trong nước
thải dưới ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng khác nhau........44
Hình 4.5. Diễn biến hàm lượng Chlorophyll-a trong thời gian
thí nghiệm................................................................................45
Hình 4.6. Diễn biến cường độ ánh sáng trong thời gian nghiên

Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp;
- Phương pháp xây dựng mô hình;
- Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm;
- Phương pháp thiết kế và vận hành hệ thống HRAPs;
- Phương pháp phân tích;
- Phương pháp đánh giá kết quả;
- Phương pháp kiểm định mô hình;
- Phương pháp phân tích độ nhạy của mô hình;
- Phương pháp xử lý số liệu.
Kết quả chính và kết luận:
Mục tiêu của đề tài là ứng dụng mô hình toán nhằm mô phỏng khả năng sinh
trưởng của tảo trong hệ thống HRAPs. Nghiên cứu bao gồm 2 nội dung chính là thực
nghiệm và mô hình hóa. Ba thí nghiệm độc lập được tác giả thực hiện nhằm mục đích khảo
nghiệm và cung cấp dữ liệu cho việc thiết kế hệ thống HRAPs (thực nghiệm) và các hệ số
cho mô hình toán. Kết quả từ thí nghiệm 1 cho thấy tảo C.vulgaris có khả năng sinh trưởng
tốt trong nước thải, không gặp yếu tố ức chế. Kết quả thí nghiệm 2 và 3 đã chỉ ra khoảng tỷ
lệ N:P và điều kiện chiếu sáng thích hợp cho sinh trưởng của tảo C.vulgaris. Dựa trên các
kết quả khảo nghiệm, hệ thống HRAPs được thiết kế và vận hành trong 2 điều kiện chiếu
sáng là ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo (đèn LED), số liệu đo đạc thực nghiệm là
cơ sở để kiểm chứng mô hình toán. Mô hình toán được xây dựng thông qua các bước xây
dựng mô hình lý thuyết, lựa chọn hàm toán phù hợp và sử dụng thuật toán để giải phương
trình dưới sự hỗ trợ của phần mềm Mathlab. Kết quả chạy mô hình đã mô phỏng tương đối

ix


chính xác về diễn biến sinh trưởng và khả năng loại bỏ dinh dưỡng N của tảo C.vulgaris
trong hệ thống HRAPs. Trong điều kiện ánh sáng tự nhiên có cường độ yếu, mô hình đã
phản ánh đúng sự hạn chế trong sinh trưởng và loại bỏ N trong nước thải của tảo. Ngược

main parts being experiments and modelling. 3 independent experiments were carried out
with the purpose of testing and providing input data for constructing HRAPs system as
well as coefficients for the mathematical model. Results from experiment No.1 showed
that C.vulgaris can grow well in sewage, without any inhibitors. In addition, based on the
results of experiments No.2 and No. 3, the ratio of N:P and lightning condition that
optimize the growth of C. vulgaris were identified. Following the results of
the experiments, HRAPs system was designed, constructed and operated in natural and
artificial lighting conditions. All of the measurements were the cornerstones for testing the
efficiency of the mathematical model, which was constructed in the manner of
designing theoretical framework, choosing appropriate mathematical formulas, and
constructing algorithms in Matlab software. Results from the model, to some extent,
exactly simulate the growth developments and capability of eliminating N of C. vulgaris in

xi


HRAPs system. To be more specific, in the condition of natural lighting with low intensity
of light, model demonstrated the limitation in growth and N eliminating capability of
algae. On the other hand, in the artificial lighting condition, model also gave the results, in
which phases in growth curve matched with the measurements in experiments; besides,
efficiency in eliminating N was also shown.

xii


PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Theo Bộ tài nguyên và Môi trường (2014), trên 80% nước thải sinh hoạt
không được xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ thông qua bể tự hoại được đưa vào các đối
tượng tiếp nhận (sông, hồ, mương…) hoặc thông qua các hệ thống cống dẫn. Chúng


tính trong việc giải các bài toán vi phân phức tạp, mô hình toán là một công cụ hữu
ích trong việc mô phỏng các quá trình, kiểm tra hiệu suất và chất lượng của các hệ
thống xử lý nước thải, tiết kiệm thời gian và chi phí. Để hướng tới ứng dụng công
nghệ HRAPs để xử lý nước thải đạt hiệu suất cao và phù hợp với điều kiện tại Việt
Nam, cần có những nghiên cứu sâu hơn để kiểm soát tối đa các yếu tố ảnh hưởng
tới khả năng sinh trưởng của tảo như: ánh sáng; dinh dưỡng nito, photpho, cacbon
(CO2); quá trình chuyển hóa các dạng của nito; quá trình phân hủy chất hữu cơ …
Do vậy, tôi tiến hành thực hiện đề tài “Mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử ly
nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo Chlorella vulgaris”. Kết quả mô phỏng của
mô hình sẽ là thông tin quan trọng để kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng, nâng cao
hiệu suất quả của hệ thống HRAPs và hướng tới tự động hóa hệ thống.
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống xử lý nước thải HRAPs quy mô pilot;
- Lựa chọn mô hình toán mô phỏng quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo

trong hệ thống HRAPs và kiểm định độ chính xác của mô hình.

2


PHẦN 2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1. ĐẶC TÍNH SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA TẢO TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI
2.1.1. Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris
-

Đặc điểm phân loại
Giới: Plantae
Ngành: Chlorophyta

Protein tổng số
Glucid
Lipud
Sterol
Stearine
β-carotene
Xanthophyll
Chlorophyll- a
Chlorophyll- b
Acid nucleic
Tro
Vitamin B1
Vitamin C
Vitamin K
Vitamin B6
Vitamin B2
Vitamin B12
Choline
Acid nicotinic

Hàm lượng
40-60%
25-35%
10-15%
0,1-0,2%
0,1-0,5%
0,16%
3,6-6,6%
2,2%
0,58%


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 các 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 trong
bóng tối.
Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng thích
ra ngoài.

Hình 2.2. Đường cong sinh trưởng của tảo
Theo Trần Thị Thanh Hiền và cs. (2003), với chế độ dinh dưỡng thích hợp và
điều kiện lý học thuận lợi, quá trinh sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau:
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.
2.1.2. Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải
a. Các nghiên cứu ứng dụng tảo trong xử lý nước thải
5


Tảo hay còn gọi là vi tảo, là những sinh vật có cấu trúc đơn bào, kích thước
nhỏ, từ vài µm đến khoảng 100µm, sống lơ lửng trong nước và có khả năng chuyển
động. Tảo được phân thành các nhóm chính: tảo lục (green algae, chlorophyta), tảo
mắt (Euglenophyta), tảo vàng ánh (chrysophyta), tảo giáp (pyrrhophyta), tảo lam


6


càng cao mật độ tảo càng cao, càng tốt cho sinh trưởng, hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng
càng cao (Lau et al., 1995). Tuy nhiên, mật độ tảo cao sẽ dẫn đến hiện tượng tự làm
mờ, tạo nên chất tự ức chế hiệu quả quang hợp (Fogg, 1975; Darley,1982).
Đã có nhiều nghiên cứu thể hiện khả năng xử lý của tảo đối với từng yếu tố ô
nhiễm khác nhau:
- Loại bỏ N, P

Hệ thống xử lý nước thải sinh học với tảo loại bỏ dinh dưỡng như Nito,
Photpho và cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí được công bố 50 năm trước bới
Oswald và Gotaas (1957). Kể từ đó, hàng loạt các khu thí nghiệm và thực nghiệm
của quá trình này và hàng loạt các nhà máy xử lý nước thải sử dụng hệ thống này
được xây dựng (Shelef et al., 1980; Oswald, 1988, Shi et al., 2007; Zhu 2008).
Nước thải sau khi được xử lý bằng sinh học kỵ khí và hiếu khí vẫn còn tồn
tại nhiều hợp chất hòa tan của dạng N,P như NH 4+, NO2-, NO3-, PO43-. Hai nguyên tố
này là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng trong sự phát triển của nhiều loại sinh vật.
Tuy nhiên ảnh hưởng bất lợi của quá trình làm giàu dinh dưỡng trong nước thải tiếp
nhận chính là có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, tảo nở hoa, làm bùng phát sự
tăng trưởng của các loại thực vật không mong muốn như tảo, thực vật thủy sinh;
đồng thời cản trở sự sống của các sinh vật khác.
Sử dụng N,P như một nguồn dinh dưỡng chủ yếu để sinh trưởng, nuôi cấy
tảo đưa ra cách tiếp cận hiệu quả về chi phí trong việc loại bỏ dinh dưỡng trong
nước thải (chính là xử lý nước thải) (Evonne and Tang,1997). Vi tảo có khả năng
cao trong loại bỏ dinh dưỡng vô cơ (Talbot and De la Noue, 1993; Blier et al.,
1995) và chúng có thể sinh trưởng trong môi trường nuôi cấy tảo ở bể quang sinh
học (De la Noue et al., 1992). Nghiên cứu của Lau et al. (1996) cho thấy khả năng
Chlorella vulgaris trong loại bỏ dinh dưỡng là 86% N vô cơ và 70% P vô cơ.

trong điều kiện ít dinh dưỡng và điều kiện duy trì.
Nhiều loại tảo có khả năng thu hồi được lượng đáng kể các ion kim loại
nặng. Quá trình loại bỏ kim loại xảy ra bởi nhiều cơ chế khác nhau. Điều này có thể
phụ thuộc vào tảo, loại ion kim loại, điều kiện dung dịch và loại tế bào tảo.
Gale (1986) chỉ ra rằng vi tảo quang hợp có vai trò hiệu quả trong khử kim
loại trong nước. Bằng việc sử dụng tảo lam trong hệ thống hồ nhân tạo, 99% kim
loại hòa tan và dạng hạt được loại bỏ. Soeder và cs. 1978 chứng minh rằng
Coelastrum proboscideum hấp thụ 100% chì từ 1 ppm ở 20h ở 23 độ C và khoảng
90% sau 1.5 h ở 30 độ.
Cadmium được hấp thụ ít hiệu quả hơn, khoảng 60% Cadmium được hấp thụ
từ dung dịch 40ppm sau 24h. Mc Hardy và George (1990) như Vymazal (1984)
nghiên cứu Cladophora glomerata trong kênh nước ngọt nhân tạo và tìm thấy, tảo
là nơi tích tụcủa kẽm, Cu2+, Pb2+, Cr3+ cũng như Ni2+, Cd2+, Co2+, Fe2+ và Mn2+ (Chen
et al., 2008...).
Tảo phát hiện hấp thụ và tích tụ Cd 2+ nhiều hơn khoảng 100 lần khi so sánh
nồng độ với môi trường xung quanh (Reiniger, 1977; Liu et al., 2009). Tảo cũng
8


tích lũy hiệu quả những hợp chất như Clo hữu cơ và tributyl (Payer and Runkel,
1978; Wright and Weber, 1991). Lee(1989); Wu and Kosaric(1991) chỉ ra rằng tảo
còn có khả năng phá hủy một số hợp chất khác.
Baeza- Squiban et al. (1990) và Schimdt (1991) cho thấy tảo lục Dunaliella
bioculata có khả năng làm giảm lượng thuốc trừ sâu Delta-methrin. Tảo cũng có
khả năng làm giảm lượng lớn hợp chất hydro cacbon trong nước thải dầu mỡ
(Cerniglia et al., 1980; Carpenter et al., 1989).
- Loại bỏ coliform

Moawad (1986) quan sát rằng các nhân tố môi trường phù hợp cho sự sinh
trưởng của tảo lại không phù hợp với sự phát triển của coliform. Các sinh vật được

nước thải. Dư thừa BOD có thể làm giảm oxy hòa tan trong nước thải dẫn đến cái
chết của cá và tạo môi trường kỵ khí, do đó loại bỏ nó là mục tiêu đầu tiên cho xử lý
nước thải. Colak và Kaya (1998) khám phá ra khả năng xử lý nước thải sinh học sử
dụng tảo. Họ đã tìm ra rằng, trong hệ thống xử lý nước thải đô thị, hiệu quả loại bỏ
BOD và COD lần lượt là 68.4 và 67.2%.
Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng tảo để xử lý nước thải đã được tiến hành
từ khá lâu. Theo đó, các đối tượng tảo khác nhau đã được nuôi trên các môi trường
nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, nước thải ao nuôi thủy sản và đã đưa ra
những kết quả khả quan về mặt loại bỏ hợp chất nitơ, phốtpho. Theo nghiên cứu của
Dương Thị Hoàng Oanh (2011), tảo Spirulinaplatensis có thể phát triển tốt trong
các nguồn nước thải từ ao cá tra, nước thải biogas và nước thải sinh hoạt, tảo phát
triển với mật độ cao nhất (87.775±41.688 tb/ml) và làm giảm các yếu tố dinh dưỡng
trong nước thải sinh hoạt một cách có hiệu quả nhất (hàm lượng TAN giảm 96,2%,
NO3 - giảm 76,1%, PO43- giảm 98,1%, COD giảm 72,5%). Một nghiên cứu khác của
Trần Trấn Bắc (2013) về nghiên cứu sử dụng nước thải ao nuôi thủy sản để nuôi
Chlorella kết luận rằng tảo phát triển tốt trong nước thải ao cá tra và hấp thu lượng
dinh dưỡng tốt nhất vào trong ba ngày đầu tiên (với hiệu suất hấp thu N-NO 3- giảm
95,27%, N-NH4+ giảm 43,48% và P-PO43- giảm 88,66%)
Không những thế, nhiều nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm và đưa ra những
điều kiện tối ưu nhằm tăng hiệu quả xử lý của tảo bằng việc thay đổi các điều kiện
tác động như ánh sáng, nhiệt độ, thời gian thu sinh khối, … và chỉ ra hướng ứng
dụng sinh khối tảo thu được vào những mục đích khác nhau. Theo Võ Thị Kiều
Thanh (2012) đã nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của
tảo và sử dụng loài giáp xác nhỏ Daphnia sp. để loại bỏ sinh khối sau đó thu sinh
khối Daphnia làm thức ăn cho động vật thủy sinh .Kết quả, sau khi nuôi tảo 9 ngày,
hàm lượng COD trong nước thải chăn nuôi lợn giảm từ 65,8- 88,2%; BOD 5 giảm từ
61,4-84%; nitơ tổng số giảm 87,4-90,18%, còn hàm lượng phốtpho tổng số có hiệu
quả xử lý không cao 47,7-56,15% . Nguyễn Thị Thanh Xuân (2012) đã báo cáo kết
quả thử nghiệm nuôi trồng trong nước thải hầm biogas cho thấy Chlorella Vulgaris
có thể sinh trưởng tốt, đồng thời có khả năng xử lý nước thải và cho lipid nhằm mục

Môi trường nhân tạo
Công nghiệp
Sinh hoạt
Môi trường nhân tạo
Môi trường nhân tạo
Công nghiệp
Sinh hoạt

Phương thức xử
lý
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý bán liên tục
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ
Xử lý theo mẻ

Thời gian
tiến hành
(ngày)
21
3
5
10
1 -10

55 - 88
42 - 83
30 - 100

27

79 - 100

Phốtpho tổng số
Nồng độ
Hiệu quả
đầu vào
loại bỏ
(mg/l)
(%)
15 – 30
63 - 75
10 – 12
8 - 20
56
70
22
45 - 72
5–8
46 - 94
112
20 -55
8 – 42
12 - 100
120