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

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ DINH DƯỠNG N:P
ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG CỦA TẢO VÀ LOẠI BỎ DINH DƯỠNG
TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BỞI TẢO CHLORELLA VULGARIS”

Người thực hiện

: Đinh Phương Thảo

Lớp

: K57 MTA

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: Môi trường

Giáo viên hướng dẫn

: Ts. Trịnh Quang Huy

HÀ NỘI - 2016

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận
tình và sự động viên của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè.
Nhân dịp này, tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
thầy TS. Trịnh Quang Huy giảng viên bộ môn Công nghệ Môi trường – Học
viện Nông Nghiệp Việt Nam, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện khóa
luận cũng như tận tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho
tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn thầy đã luôn kiên nhẫn ở
bên cạnh, cổ vũ và động viên em trong suốt quá trình học tập và làm việc
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
22

MỤC LỤC

33


DANH MỤC BẢNG

44


DANH MỤC HÌNH

55


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 thường
chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, Nitơ (N), Photpho (P), vi sinh vật và vi
khuẩn gây bệnh... Nước thải khi được đổ vào thủy vực là nguyên nhân dẫn tới
suy thoái chất lượng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Sự dư thừa các chất
dinh dưỡng này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các loài tảo, rong, rêu và các
thực vật thân mềm trong nước và cuối cùng sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằng
sinh học của nước.
Có nhiều công nghệ xử lý nước thải đã và đang được áp dụng. Tuy
nhiên, 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 lý
chính được áp dụng là công nghệ sinh học hiếu khí hoặc công nghệ bán hiếu

khí kết hợp. Nhưng đối với các khu vực dân cư và hộ gia đinh giải pháp xử lý
nước 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 lý
của 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 môi
trường. 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) cũng
nghiên cứu với nước thải chăn nuôi cho thấy giá trị này lần lượt là 76% và
65%.

66


Trong quá trình xử lý, tảo sử dụng dinh dưỡng Nitơ, Phốtpho dưới dạng
ion 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 dinh
dưỡng của tế bào của tảo, tỷ lệ N:P là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến
hiệu suất loại bỏ các dinh dưỡng trong nước thải. Tỷ lệ N:P không phù hợp
khiến cho N hoặc P trở thành yếu tố cản trở hoạt động của tảo. Thực tế cho
thấy, các nguồn nước thải giàu dinh dưỡng thường có tỉ lệ N:P không đồng
đều, 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 dưỡng
cho 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.

77


PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
2.1. Đặc điểm sinh học của tảo chlorella vulgarıs
a. Đặc điểm phân loại
−
−
−
−
−
−

Giới: Plantae
Ngành: Chlorophyta
Lớp: Chlorophyceae
Bộ: Chlorococale
Họ: Chlorellaceae
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 triển
nhanh chóng chỉ cần lượng khí CO 2, nước, ánh sáng mặt trời và một lượng
nhỏ 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 25µm tùy loài. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng 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).

88


Hình 2.1: Hình thải tảo Chlorella vulgaris
c. Sinh sản
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra, tảo Chlorella sinh sản rất nhanh, trong ba
giờ có khả năng tăng gấp đôi mật độ. Tảo Chlorella không có sự sinh sản hữu
tính. Trong điều kiện dinh dưỡng tốt (trong huyền phù mật độ cao, các tế bào
không cạnh tranh nhau về ánh sáng, thức ăn) mỗi tế bào tảo có thể cho từ 4-32
tự bào tử (thậm chí có trường hợp tạo ra 64 bào tử) (Trương Văn Lung, 2004).
Sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách xé
màng tế bào mẹ, ra môi trường dinh dưỡng trở thành những tế bào con có khả
năng hấp phụ chất dinh dưỡng mạnh, quan hợp và sinh trưởng tăng. Những tế
bào con mới hình thành sẽ hoàn thành vòng phát triển sau 4-6 tiếng đến giai
đoạn chín, có khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lặp lại từ đầu (Trần Văn
Vĩ, 1995). Do vậy về mặt lý thuyết một tế bào ban đầu sau một ngày đêm
nuôi 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 vài

ngày mật độ huyền phù đạt tới 50-500 triệu tế bào/ml huyền phù (có thể cao
hơn) (Trương Văn Lung, 2004).

99


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
trong bóng tối.
Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng
thích ra ngoài.
Theo Trần Thị Thanh Hiền và ctv (2003) với chế độ dinh dưỡng thích
hợp và điều kiện lý học thuận lợi, quá trình 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.
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)
Thành phần
Protein tổng số

Hàm lượng
40-60%
10
10


Glucid
Lipud
Sterol
Stearine
β-carotene
Xanthophyll

25-35%
10-15%
0,1-0,2%
0,1-0,5%
0,16%
3,6-6,6%

Chlorophyll a

Chlorophyll b
Acid nucleic
Tro
Vitamin B1
Vitamin C
Vitamin K
Vitamin B6
Vitamin B2
Vitamin B12
Choline
Acid nicotinic

2,2%
0,58%
6,0%
10,34%
18,0 mg/g
0,3-0,6 mg/g
6,0 mg/g
2,3 mg/100g
3,5 mg/g
7-9 mg/g
302 mg/g
145 mg/g
(Nguồn: Trương Văn Lung 2014))

11
11

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 trong
khoảng nhiệt độ từ 15 – 25oC. Nhiệt độ tăng làm tăng sự phát triển của tảo cho
đến 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 trình
quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ CO 2. Không chỉ vậy nó còn là nguồn
năng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng. Các sinh vật
sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO 2 vào các hợp chất hữu cơ
trong tế bào. Tảo khắc phục hạn chế ánh sáng bằng cách giảm độ bão hòa
của 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 CO 2 (Iqbal và cs.,
2012) Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện nuôi
cấy, Nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000
LUX, 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 nó

quyết định khả năng hòa tan và hàm lượng sẵn có của CO 2 cũng như các chất
dinh dưỡng thiết yếu trong môi trường. pH có một tác động đáng kể tới quá
trình 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 trình
nuôi (Hansen và cs .,2002). Mức tăng trưởng tối ưu của tảo đạt được trong
khoảng pH trung tính (7 – 7,6).

12
12


pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trong
nước. Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sự
tăng trưởng của tảo (Azov và cs .,1982). Do pH cao làm tăng tính linh hoạt của
thành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hình thành các tự
bào 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 dinh
dưỡng (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 với
không sục khí. Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trò quan trọng đặc biệt trong quá
trình quang hợp, nó có thể được cung cấp bởi nguồn CO2 trong khí quyển, từ
khói thải của nhà máy, trong các muối carbonate hòa tan như NaHCO 3
(Devgoswami, .cs, 2011). Khi sục khí CO2 ở nồng độ quá lớn cũng có ảnh



hưởng 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 được
cung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo. Nó là yếu tố cần thiết cho quang
hợp và sinh sản. Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng của
tảo. Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat hoặc
bicacbonat. 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 cacbonat
tăng 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 CO 2 quá
cao có thể làm giảm nồng độ tương đối của protein và các sắc tố trong tế bào
nhưng làm gia tăng hàm lượng carbohydrate. Sự thay đổi trong thành phần tế
bào này làm giảm năng suất sinh khối tối đa (Gordillo và cs., 1998).
13
13


Trong thủy vực tảo có khả năng tổng hợp chất vô cơ thành chất hữu cơ
cho cơ thể thông qua quá trình quang hợp. Trong các thủy vực tự nhiên sự phát
triển của tảo phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là nước, ánh sáng và muối vô cơ mà
chủ 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 giới
hạn này có thể thay đổi và việc xác định đúng nguồn nhân tố giới hạn từ ba
nguồn trên trong điều kiện thực tế của ao nuôi tảo cũng như các nguồn nước
thải 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 lý
bằng các quá trình hiếu khí hoặc yếm khí vẫn còn chứa nhiều Nitrat (NO 3-),
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 nghiên
cứu xử lý 2 dinh dưỡng này trong nước để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng
nguồn 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 chế
sinh 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 xuất
sinh 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 có
nitơ 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 hợp
chất sinh hóa trong cơ thể và được các tế bào sử dụng để đáp ứng các thay đổi
của nhu cầu sinh lý. Tác động chủ yếu của tình trạng thiếu nitơ trong môi
14
14


trường nuôi tảo là việc giảm hàm lượng protein (Morris và cs . 1997) và tăng
khả năng tích tụ các chất béo (Thompson và cs ., 1996).
Phốt pho là một phần dinh dưỡng chính đóng một vai trò quan trọng
trong quá trình trao đổi chất của tế bào như chuyển giao năng lượng, sinh
tổng hợp acid nucleic, DNA cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình
thường 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). Hàm
lượng 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 của
cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui
-

chơi 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 như
giặt 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 ra
khoảng 30% trong số đó. Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong
phân khoảng 8 lần (A. Mulder . 2003). Các hợp chất chứa Nitơ, đặc biệt là
protein, và urin trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành
amoni/amoniac. Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí các
chất thải, quá trình phân huỷ này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng
carbon nhưng tác dụng giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ một phần nhỏ
tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước
15
15


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 oxy
hoà 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 là
phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp. Lượng Photpho có nguồn gốc từ
phân 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 0,3
kg/người/năm. Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụng photpho trong thành phần
chất 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 các
loại trên khi vào nước cũng thải ra một lượng photpho đáng kể.
Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải sinh hoạt biến động
theo lưu lượng nguồn nước thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ
tập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn
uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời
gian ngày tháng cũng như mức sống và tiện nghi của cộng đồng. Lượng chất
thải vì vậy thường được tính theo đầu người (khối lượng khô) hoặc nồng độ
sau khi đã được pha loãng với mức nước sử dụng trên đầu người (ở các nước
công nghiệp khoảng 190 lít/người/ngày) hoặc trong các cống rãnh thải (450
lít/người/ngày). Nồng độ pha loãng được gọi là nồng độ tại điểm xả hoặc
trong 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 tế
bào 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 cân
bằng hóa học cho các yếu tố phổ biến nhất trong một tế bào tảo trung bình là
16
16


C106H18O45N16P. Sự tăng trưởng tối ưu của tảo đòi hỏi sự cân bằng của các yếu
tố này với tỷ lệ trên trong môi trường nuôi cấy (Klausmeier CA và cs., 2004).

Để tảo tăng trưởng tối ưu, môi trường nuôi cấy cũng phải được bổ sung đầy
đủ dinh dưỡng. Chúng bao gồm một số chất dinh dưỡng như Cacbon, Nitơ,
Phốtpho, Lưu huỳnh và Kali; một số nguyên tố vi lượng như Co, Mo, Mn,
vitamin.
Tỷ lệ N:P là một yếu tố quan trọng trong việc loại bỏ N và P trong hệ
thống xử lý nước thải vì nó không chỉ xác định năng suất tiềm năng mà còn
đóng vai trò quan trọng trong việc xác định loài chiếm ưu thế trong môi
trường nuôi (Richmond A., 2004). Các tỷ lệ N:P không giống nhau đối với
các loại nước thải khác nhau.

17
17


Bảng 2.2: Các nghiên cứu vể sử dụng tảo trong xử lý nước thải trên thế giới và ở Việt Nam
Tác giả
Hee Jeong Choi &

Loại tảo
Chlorella vulgaris

Seung Mok Lee
(2014)

Richard Geider, Julie La Chlorella
Roche
(2011)
Rhee GY, Gotham IJ

Scendesmus

(1980).
Võ Thị Kiều Thanh và

Chlorella sp

Nước thải

Tỉ lệ dinh

Kết quả

dưỡng N:P
Nước thải sinh hoạt. 1:1-11:1
Sinh trưởng đạt cực đại, 2,97mg/l.
20:1-30:1
Sinh khối giảm dần từ 0,4-0,78mg/l và không đổi.
11:1 – 30:1 Hàm lượng Nito được loại bỏ khá cao khoảng 82% ngoài

Nước thải sinh hoạt

16:1
5:1
3
1:1 -20:1
16:1
<16:1
>16:1

khoảng này là từ 75-78%.

Nito được loại bỏ là cao nhất 96%.
Nito là yếu tố giới hạn sinh trưởng.
Photpho là yếu tố giới hạn sinh trưởng.
TP giảm 80% ngoài khoảng này là dưới 60%.
Tảo Chlorella sinh trưởng cực đại
Nito là yếu tố giới hạn
Photpho là yếu tố giới hạn

5:1 – 80:1

Scendesmus sinh trưởng tốt

Nước thải chăn nuôi 3:1

cs (2012).

Tốc độ sinh trưởng đạt 0,107-0,125/ngày
Khả năng loại bỏ dinh dưỡng
Nito là 87,5%

Liandong Zhu.Cs

Chlorella sp

Nước thải chăn nuôi 5:1
18
18

TP giảm 46%
TN giảm 76%

(2013).

TP giảm 65%

Guilford và Hecky

Ao hồ nước ngọt

>50:1
<20:1

(2000).
M.A.Aziz & W.J.Ng

Nước thải sinh hoạt, 3:1 – 6:1

TN giảm 60-70%

(1991)
Liang Wang & Min Min

nước thải chăn nuôi.
Nước thải chăn nuôi, 4,5:1 – 6:1

TP giảm 50-60%
TN giảm 62-92%

(2009)

Nước thải sinh hoạt

TP giảm 70-79%

19
19

Photpho là yếu tố giới hạn sinh trưởng
Nito là yếu tố giới hạn sinh trưởng


Theo Redfield (1963) tỷ lệ C:N:P được sử dụng trong hải dương học để
tính toán sản lượng xuất khẩu dựa vào năng suất dinh dưỡng. Tuy nhiên,
Falkowski (1998) đã cho rằng ranh giới của tỷ lệ này không được xác định
một cách rõ ràng. Tỷ lệ C:N:P tối ưu cho việc xử lý nước thải bằng tảo chưa
được đưa ra một cách cụ thể.
Ở Mỹ, khi nghiên cứu về yếu tố dinh dưỡng hạn chế sự phát triển của tảo
trên 49 hồ thì thấy rằng Nitơ là yếu tố giới hạn sự phát triển của tảo ở 8 hồ
trong khi đó Photpho là yếu tố giới hạn tảo ở 35 hồ và các yếu tố dinh dưỡng
khác hạn chế ở 6 hồ còn lại. Cũng trong nghiên cứu trên cho thấy trong nước
ngọt, Photpho thường được dùng chủ yếu hơn Nito, nhưng cả hai yếu tố dinh
dưỡng Photpho và Nito đều được xem là nhân tố giới hạn tảo ở môi trường
nước mặn (Miller và cs.,1974).
Ngoài ra, theo Guilford và Hecky (2000) nghiên cứu cả hai môi trường
nước ngọt và nước mặn nhận thấy khi tỷ lệ N:P>50:1 Photpho là nhân tố giới
hạn, với tỷ lệ N:P<20 thì Nito là nhân tố giới hạn đối với quá trình sinh
trưởng phát triển của tảo. Tỷ lệ giữa N:P trung gian giữa 20 và 50 thì không
thể xác định nhân tố nào giới hạn tảo một cách rõ ràng.
Như vậy, trong phần lớn các thuỷ vực Photpho và Nito là 2 nhân tố dinh

dưỡng dùng để hạn chế sự phát triển của tảo mà trong đó phần lớn người ta
dùng Photpho là nhân tố giới hạn chủ yếu (Hutchison, 1967; Edmondson,
1969).
Hee Jeong Choi. Cs (2014) cũng chỉ ra rằng tỷ lệ N:P ảnh hưởng khá lớn
đến việc tăng trưởng của tảo cũng như loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải.
Theo ông khi thay đổi tỉ lệ N:P từ 1:1 đến 11:1 thì sự sinh trưởng của tảo tăng
liên tục và đạt cực đại về sinh khối. Khi tỉ lệ này tăng đến khoảng từ 20:1 30:1 thì giá trị này giảm dần và đạt một giá trị sinh khối không đổi khoảng
0,40-0,78 g/l/ngày. Theo kết quả này sự chuyển tiếp về giới hạn của tỉ lệ N:P
đến sinh trưởng của tảo nằm trong khoảng từ 10:1-30:1 trong khi Rhee và

20
20


Gotham (1980) cho rằng tỉ lệ phù hợp nằm trong khoảng từ 5:1-80:1 còn của
Redfield là 16:1. Tuy nhiên các khoảng tỉ lệ tối ưu này sẽ thay đổi tùy vào đặc
tinh nước thải và điều kiện sinh thái.
Theo Redfield, tỉ lệ N:P thường được sử dụng như một tiêu chuẩn để
phân biệt khoảng giới hạn từ điểm Nito là yếu tố giới hạn đến Photpho là yếu
tố giới hạn, trong nghiên cứu này tỉ lệ đó là 16:1 và nó thiết lập một khoảng
trên các tỉ lệ N:P khác nhau (Falkowski, 1997; Tyrrell, 1999; Lenton &
Watson, 2000). Theo ông khi tỉ lệ N:P trong nước thải nhỏ hơn 16:1 thì Nito
chính là yếu tố giới hạn cản trở hoạt động sử dụng dinh dưỡng trong nước thải
để sinh trưởng phát triển của tảo, điều đó đồng nghĩa với việc hạn chế quá
trình loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải của tảo, khi tỉ lệ này lớn hơn 16:1
Photpho trở thành yếu tố giới hạn. Trong nghiên cứu của Hee Jeong Choi khi
tỉ lệ N:P xuống thấp đến 5:1 thì Nito trở thành yếu tố giới hạn còn khi tỉ lệ
này là 30:1 thì Photpho là yếu tố giới hạn đối với quá trinh này.
Trong nước thải chăn nuôi lợn khi tỉ lệ N:P là 3:1 thì tốc độ sinh trưởng
của C. vulgaris từ 0,107-0,125/ngày (Võ Thị Kiều Thanh và cs. 2012).

Khi tỉ lệ N:P thay đổi từ 11:1-30:1 thì lượng Nito tổng số được loại bỏ là
khá cao đạt 82% và nằm ngoài khoảng này thì giảm còn 75-78%. Tỉ lệ N:P là
16:1 cho kết quả loại bỏ Nito cao nhẩt đạt 96% (Hee Jeong Choi. Cs. 2014).
đây cũng là tỷ lệ gây nên hiện tượng phú dưỡng trong các ao hổ và cũng là tỉ
lệ phổ biến trong một tế bào tảo trung bình (Klausmeier CA, 2004) và theo
Richard (2004) đây là tỉ lệ cho tảo Chlorella sinh trưởng cực đại. Trong
nghiên cứu của Liandong Zhu. Cs (2013) sử dụng tảo Chlorella zofingiensis
xử lý nước thải chăn nuôi ở tỉ lệ này có thể xử lý tổng Nitơ (TN) tới 76%.
Tổng Nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn giảm 87,5% khi được xử lý bằng
Chlorella sp với tỉ lệ N:P ban đầu là 3:1 (Võ Thị Kiều Thanh và cs. 2012).
Trong nghiên cứu của Hee Jeong Choi (2014) tổng Photpho (TP) giảm
đến 80% ở tỉ lệ N:P trong khoảng 1-20, nằm ngoài khoảng này hiệu suất xử lý

21
21


TP dưới 60%. Trong nghiên cứu của Võ Thị Kiều Thanh (2012) TP giảm
47% ở tỉ lệ N:P là 3:1, Liandong Zhu. Cs (2013) TP giảm 65% đối với việc sử
dụng C. zofingiensis xử lý nước thải chăn nuôi tỉ lệ 5:1 và kết quả này trong
nghiên cứu của Võ Thị Kiều Thanh và cs. (2012) là 46%.
Hee Jeong Choi cho rằng khi tăng tỉ lệ N:P sẽ làm giảm hiệu quả loại bỏ
Photpho tuy nhiên không tìm ra được mối quan hệ giữa tỉ lệ N:P và hiệu quả
loại bỏ Nito
Bảng 2.3: Hiệu quả loại bỏ Nito, Photpho ở các khoảng tỉ lệ khác nhau
theo nghiên cứu của Hee Jeong Choi (2014)
Tỉ lệ N/P
Hiệu suất loại

1–10

78.35 ±

11–20
83.90 ±

21–30
82.81 ±

31–40
78.08 ±

41–50
51–60
72.40 ± 73.29 ± 3.29

bỏ (%) - TN
Hiệu suất loại

8.23
88.54 ±

2.90
80.98 ±

2.81
59.00 ±

3.08
44.15 ±

2.40
34.00 ± 23.10 ± 3.10

bỏ (%) - TP

4.54

3.98

8.35

7.15
4.36
(Nguồn: Hee Jeong Choi .2014)

2.3. Ứng dụng của tảo Chlorella trong cuộc sống con người.
Vi tảo Chlorella là sinh vật quang tự dưỡng, có kích thước hiển vi, là
thành phần chủ yếu tạo nên năng suất sơ cấp của thuỷ vực và giữ vai trò quan
trọng trong việc duy trì sự phát triển của hệ sinh thái nước. Trong tự nhiên, vi
tảo là mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn nên chúng là nguồn thức ăn
không thể thiếu của nhiều đối tượng thuỷ sản như ở hầu hết các giai đoạn phát
triển của nhuyễn thể, giai đoạn ấu trùng của giáp xác và cá. Ngoài ra, chúng
còn được sử dụng để nuôi sinh khối động vật phù du, làm thức ăn cho các giai
đoạn ấu trùng của giáp xác và cá. Vi tảo là nguồn thực phẩm chức năng quan
trọng cho con người và động vật nuôi, là nguồn phân bón, có khả năng loại bỏ
các chất gây ô nhiễm, bảo vệ môi trường và cố định CO2....
Hiện nay, trên trái đất có khoảng 20.000 loài vi tảo và đã có hàng trăm
loài được thử nghiệm làm thức ăn, nhưng cho đến nay chỉ khoảng hơn 40 loài

22

22


tảo đơn bào được phân lập và nuôi cấy thuần chủng trong các hệ thống thâm
canh, được sử dụng rộng rãi làm thức ăn trong nuôi trường thủy sản. Chúng
thuộc 8 lớp và 32 giống, có kích thước từ vài μm đến hơn 100 μm.
Ưu điểm của vi tảo là có kích thước phù hợp, dễ tiêu hoá, ít gây ô nhiễm
môi trường, không có độc tố, có thể chuyển hoá trong chuỗi thức ăn, có tỷ lệ
phát triển nhanh, có khả năng nuôi sinh khối lớn, cung cấp đầy đủ chất dinh
dưỡng cần thiết cho động vật nuôi. Năm 1999, sản phẩm từ vi tảo sử dụng cho
nuôi trồng thủy sản đạt 1000 tấn (trong đó 62% cho động vật thân mềm, 21%
cho tôm và 16% cho cá) (Muller-Feuga. A .,2004). Brown và cs (1997),
Becker (2004 a, b) đã công bố về thành phần dinh dưỡng của hơn 40 loài vi
tảo và ứng dụng của chúng trong nuôi trồng thủy sản. Trong tảo Chlorella có
chứa hàm lượng cao protein và các axit amin không bị thay đổi nhiều trong
các pha phát triển và điều kiện chiếu sáng. Do vậy, sự khác nhau về chất
lượng protein là một nhân tố tạo nên sự khác nhau về giá trị dinh dưỡng của
các loài vi tảo.
Tảo Chlorella vulgaris có khả năng tích lũy chất béo trong tế bào lên đến
35,86% có khả năng cho dầu lên đến 45 tấn/ha/năm (Trương Vĩnh, 2009).
Thành phần acid béo của chất béo từ vi tảo C.vulgaris được nuôi cấy ở điều
kiện thích hợp phân bố từ C15 đến C20, và tập trung chủ yếu là palmitic acid
methyl ester (C16:0) và linoleic acid methyl ester (C18:2). Đây là loại chất
béo chủ yếu để tổng hợp Biodiesel (Hồ Quốc Phong và cs, 2014). Với thành
phần acid béo tự do chiếm hơn 54%, các phương pháp như xúc tác hai giai
đoạn, tới hạn hay cận tới hạn đều có thể sử dụng để tổng hợp biodiesel từ vi
tảo. Do đó, qua nghiên cứu này cho thấy vi tảo có tiềm năng rất lớn để làm
nguồn nguyên liệu tổng hợp Biodiesel.

23

23


Trong Chlorella có chứa nhiều β-Carotene, là chất chống oxy hóa, sửa
chữa DNA hư hỏng có tác dụng ngăn ngừa và phá hủy tế bào ung thư. Ngoài
Caroten ra, còn có nhiều Vitamin C, Vitamin E và Selenium, cũng là những
chất chống oxy hóa.
Chlorella nâng cao lượng Interferon, là nhân tố tự nhiên quan trọng bậc
nhất của cơ thể, là vũ khí phòng chống ung thư, có tác dụng kích thích sự hoạt
động của tế bào Lympho-T và đại thực bào Macrophages. Từ đó tăng cường
kháng thể, không những chống lại những tế bào ung thư mà còn cả vi khuẩn,
virus, chất hóa học và protein lạ.

24
24


PHẦN 3
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Đối tượng nghiên cứu.
−
−

Tảo Chlorella vulgaris.
Nước thải sinh hoạt.
3.2 Phạm vi nghiên cứu.
Phạm vi không gian: Tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Phạm vi thời gian: từ tháng 9 năm 2015 đến tháng 1 năm 2016.
3.3. Nội dung nghiên cứu.

−
−

Tính chất nước thải sinh hoạt sử dụng trong nghiên cứu.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ N:P tới khả năng sinh trưởng của tảo

−

Chlorella vulgaris trong điều kiện thí nghiệm.
Đánh giá khả năng loại bỏ dinh dưỡng của tảo Chlorella vulgaris trong nước
thải sinh hoạt.
3.4. Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu.
3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp:
Thu thập tổng hợp tài liệu, thông tin về các kết quả nghiên cứu từ sách
báo tài liệu chuyên khảo trong và ngoài nước liên quan đến sử dụng tảo
Chlorella xử lý nước thải, mối quan hệ về dinh dưỡng và sinh trưởng của tảo,
ứng dụng thu hồi tảo phục vụ đời sống.
3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm.
a. Thiết bị sử dụng.

-

Máy sục khí lưu lượng 0,9 l/h.

-

Bình nhựa PE trong suốt thể tích 5l.

-

Đèn huỳnh quang.
b. Hoá chất
Các hoá chất vô cơ NaH2PO4, NH4PO4 tinh khiết do Trung Quốc và Việt
Nam sản xuất.

25
25