Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tăng trưởng sinh khối vi tảo và hiệu suất xử lý nước thải

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

viên và giúp đỡ từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè để hoàn thành tốt đề tài luận
văn dù gặp nhiều khó khăn.
Đầu tiên, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới TS.
Đoàn Thị Thái Yên – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng – Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội, ngƣời luôn theo sát, giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Đồng thời, tôi cũng xin cám ơn các thầy, các cô và các cán bộ công tác tại
Phòng thí nghiệm, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng (INEST) –
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong thời gian học
tập, nghiên cứu tại trƣờng.
Nhân đây, Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo cùng các đồng
nghiệp làm việc cùng tôi tại Trung tâm Quan trắc môi trƣờng Bắc Giang đã tạo điều
kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bố mẹ và bạn bè đã luôn ủng
hộ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà nội, ngày 18 tháng 9 năm 2013


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..........................................................................................................1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................6
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG TẢO CHLORELLA TRONG
XỬ LÝ NƢỚC THẢI .........................................................................................9
1.1. Đặc điểm phân loại và đặc điểm sinh học tảo Chlorella .........................9
1.1.1. Đặc điểm phân loại ...........................................................................9
1.1.2. Đặc điểm sinh học của Chlorella ....................................................10

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

2


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BG-11

: BG-11 Medium, Modified.

COD

: Chemical Oxigen Demand/ Nhu cầu oxy hóa học.

PTN

: Phòng thí nghiệm.

TN

: Tổng Nitơ.

TP

: Tổng phốt pho.

UASB

: Upflow Anearobic Sludge Blanket/ Bể xử lý sinh học dòng
chảy ngƣợc qua tầng bùn kỵ khí.

3

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

Hình 3.4.Hiệu suất xử lý COD ở các tỉ lệ pha loãng nƣớc thải khác nhau .....38
Hình 3.5. Hiệu suất xử lý TKN ở các tỉ lệ pha loãng nƣớc thải khác nhau......40
Hình 3.6. Hiệu suất xử lý TP ở các tỉ lệ pha loãng nƣớc thải khác nhau ........41
Hình 3.7. Đƣờng cong sinh trƣởng của Chlorella vulagaris B5ở các loại ánh
sáng khác nhau .................................................................................................43
Hình 3.8. Đƣờng cong sinh trƣởng của tảo ở các mức cƣờng độ ánh sáng .....46
Hình 3.9. Nồng độ sinh khối khô của tảo ở các mức cƣờng độ ánh sáng ........47
Hình 3.10. Đƣờng cong sinh trƣởng của tảo B5 ở các nhiệt độ khác nhau ......50

5


MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, sự ra tăng của các sản phẩm nông nghiệp cùng với nhu
cầu về thực phẩm ngày càng cao trong cuộc sống đã thức đẩy nghành chăn nuôi
phát triển mạnh mẽ. Theo số liệu của Tổng cục thống kê, đến năm 2011 cả nƣớc
có hơn 20.000 trang trại chăn nuôi với số lƣợng gia súc, gia cầm dao động trong
khoảng từ hàng trăm đến hàng nghìn con. Hình thức chăn nuôi theo mô hình trang
trại này ngày càng đƣợc phát triển rộng rãi và nhận đƣợc sự quan tâm của Nhà
nƣớc cũng nhƣ chính quyền địa phƣơng. Đây cũng là định hƣớng chiến lƣợc phát
triển của Chính phủ đến năm 2020 khuyến khích phát triển chăn nuôi theo hình
thức trang trại, công nghiệp [11]. Hiện nay, nhiều địa phƣơng đã có những chính
sách và định hƣớng phát triển loại hình kinh tế này nên chăn nuôi trang trại tiếp
tục phát triển cả về số lƣợng cũng nhƣ quy mô.
Tùy thuộc vào loại hình, qui mô chăn nuôi và nguồn thức ăn cung cấp mà
nƣớc thải của từng trang trại có những đặc trƣng ô nhiễm riêng, tuy nhiên về cơ
bản thì nƣớc thải từ các cơ sở chăn nuôi có đặc tính chung là chứa hàm lƣợng chất
hữu cơ cao do đó phù hợp để áp dụng công nghệ xử lý sinh học.
Hiện nay để xử lý nƣớc thải của ngành chăn nuôi, trên thế giới cũng nhƣ Việt
Nam thƣờng áp dụng các kỹ thuật truyền thống và ứng dụng các quá trình xử lý cơ

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

trong thực tế thì việc nghiên cứu sự ảnh hƣởng của các yếu tố nêu trên cần đƣợc
tính đến.
Để góp phần tìm kiếm giải pháp cho những vấn đề nêu trên thì Đề tài
“Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tăng trưởng sinh khối vi tảo và hiệu
suất xử lý nước thải” đƣợc triển khai. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho các
nghiên cứu tiếp theo và một phần có thể áp dụng triển khai vào thực tế sản xuất
thử nghiệm.
* Mục tiêu:
Mục tiêu chung là khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện môi trƣờng nuôi
đến quá trình tăng trƣởng sinh khối và hiệu quả xử lý nƣớc thải của vi tảo
Chlorella vulgaris trong nƣớc thải chăn nuôi lợn.

7


Cụ thể đề tài tiến hành khảo sát sự ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng
nhƣ: nồng độ dinh dƣỡng, cƣờng độ ánh sáng, loại ánh sáng, nhiệt độ đến khả
năng tăng trƣởng sinh khối và hiệu quả xử lý nƣớc thải chăn nuôi đã qua xử lý bể
UASB của vi tảo Chlorella vulgaris B5 trên quy mô phòng thí nghiệm.
* Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
+ Đối tượng: Giống tảo Chlorella vulgaris B5 đƣợc cung cấp từ đề tài
nghiên cứu khoa học của TS. Đoàn Thị Thái Yên, Viện Khoa học và Công nghệ
Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
+ Phạm vi: Tập trung nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của 4 yếu tố môi
trƣờng bao gồm: nồng độ dinh dƣỡng, cƣờng độ ánh sáng, loại ánh sáng, nhiệt độ
đến khả năng tăng trƣởng sinh khối và hiệu quả xử lý nƣớc thải chăn nuôi đã qua
xử lý bằng bể UASB của vi tảo Chlorella vulgaris B5 từ đó đƣa ra điều kiện tối ƣu
nhất cho xử lý nƣớc thải và nuôi trồng vi tảo.
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở quy mô bình tam giác 250ml trong điều
kiện phòng thí nghiệm tạiViện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng, Trƣờng Đại

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

vulgaris,

Chlorella

kesleri,

Chlorella

pyrenoidosa,

Chlorella

luteoviridis, Chlorella saccharophila, Chlorella protothecoides, Chlorella
ellipsoidea, Chlorella mucosa, Chlorella homosphaera,….[9].

Hình 1.1. Hình ảnh Tảo Chlorella vulgaris dƣới kính hiển vi
9


1.1.2. Đặc điểm sinh học của Chlorella
* Phân bố:
Tảo lục phân bố chủ yếu ở các thủy vực nƣớc ngọt, chỉ có khoảng 10% phân
bố ở các thủy vực nƣớc lợ và mặn. Chlorella phân bố ở khắp nơi trên thế giới và
phát triển nhanh ở những thủy vực giàu dinh dƣỡng và có ánh sáng mạnh[7].
* Hình thái:
Chlorella là loại tảo lục đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng di
động chủ động. Tế bào thƣờng có dạng hình cầu hoặc oval.
Kích thƣớc tế bào từ 3- 5µm, có thể từ 2 - 4 µm tùy loài, tùy điều kiện môi
trƣờng và giai đoạn phát triển nhƣng không vƣợt quá 15 µm.

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,

lạp lục, ti thể, riboxom,… đều nằm trong tế bào chất.
Nƣớc trong tế bào chất chiếm 50%, thành phần chính của tế bào chất chiếm
2/3 trọng lƣợng khô.Ngoài ra còn có các chất hữu cơ khác nhƣ: lipid,
hydratcacbon, vitamin và một số chất vô cơ.
Cấu trúc của tế bào chất ổn định, ít có sự biến đổi do tác động bên ngoài. Tế
bào chất có khả năng hấp thụ các chất khác nhau từ môi trƣờng xung quanh thông
qua màng tế bào.
* Lục lạp:
Lục lạp chính là cơ quan chuyên hóa thực hiện quá trình quang hợp.
Chlorella chứa lục lạp có sắc tố màu lục.
Thể màu ở dạng vòng đai, cầu, bản, hình chén, máng lợn ăn hay hình lƣới, có
hạt tạo bột đôi khi một số loài không có. Lục lạp đƣợc bao ngoài bởi lớp màng
mỏng kép, bên trong chứa dịch protein hay còn gọi là chất nền. Màng lục lạp dày
100 – 150 Amstrong và có hai lớp.
Lạp lục là nơi duy nhất trong tế bào tảo Chlorella chứa chất diệp lục. Chúng
phân chia bằng cách phân đôi.
* Nhân:
Tế bào tảo Chlorella chỉ chứa một nhân và có đƣờng kính từ 1 ÷ 3µm.
Cấu trúc của nhân gồm: màng, dịch nhân, hạch nhân và mạng lƣới chất
nhiễm sắc. Màng nhân gồm có hai lớp màng và những lỗ. Chiều dày màng nhân
tảo Chlorellatừ 300 – 400 Amstrong.

11


1.1.3. Sinh sản
Tảo Chlorella không có sự sinh sản hữu tính mà sinh sản bằng hình thức sinh
sản dinh dƣỡng hay còn gọi là sinh sản bằng tự bào tử. Khi tảo Chlorella gặp điều
kiện môi trƣờng thuận lợi sẽ lớn dần lên, khi đạt tới kích thƣớc nào đó thì sẽ tự
phân đôi. Chất nguyên sinh thu nhỏ trong lòng vỏ, sau đó chia đôi 1, 2 hay 3 lần

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.

- Pha logarit: Sau pha gia tốc dƣơng, quần thể vi tảo đã đạt đến một mật độ
nhất định, môi trƣờng dinh dƣỡng còn thuận lợi, vi tảo đẩy mạnh quá trình hấp thu
dƣỡng chất và đẩy nhanh tốc độ tăng trƣởng. Mật độ và sinh khối tảo ở giai đoạn
này tăng lên với tốc độ nhanh nhất.
- Pha gia tốc âm: Trong môi trƣờng bắt đầu xuất hiện các yếu tố bất lợi cho
tảo phát triển nhƣ yếu tố dinh dƣỡng và sự gia tăng các chất kìm hãm... nên tốc độ
sinh trƣởng của tảo diễn ra chậm hơn nhiều so với pha logarit.
- Pha cân bằng: Trong pha này số lƣợng vi tảo sinh ra và chết đi gần bằng
nhau do đó sự cân bằng đƣợc tạo ra.
- Pha suy tàn: Số lƣợng vi tảo giảm đi một cách rõ rệt do khả năng sinh sản
của tảo mất dần sau khi đạt giá trị cực đại.

Hình 1.3. Các giai đoạn phát triển đặc trƣng của tảo
13


1.1.5.Thành phần dinh dưỡng của vi tảo
Thành phần dinh dƣỡng của các loài vi tảo khác nhau có sự khác biệt rõ rệt
và trong cùng một loài cũng có sự khác nhau [3]. Thành phần dinh dƣỡng còn phụ
thuộc vào tốc độ sử dụng dinh dƣỡng của tảo trong quá trình phát triển.Tảo có thể
phát triển tốt trong điều kiện môi trƣờng nƣớc có đầy đủ lƣợng nitơ và photphat.
Thành phần hóa học của các loại tảo lục phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của
nitơ trong môi trƣờng. Khi lƣợng nitơ có trong môi trƣờng thấp thì hàm lƣợng
protein của Chlorella vulgaris giảm xuống rõ rệt trong khi lƣợng cacbohydrat và
lipit lại tăng lên.
Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris đƣợc trình bày trong
Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học trong tảo Chlorella vulgaris[10]
STT

Thành phần

Hàm lƣợng

STT

Thành phần

Hàm lƣợng

1

Protein tổng số

40 -60%

10

Tro

10-34%

2

Glucid

25-35%

11

VitaminB1

18 mg/g

3

Lipit

10-15%

12

C

0,3-0,6 mg/g

4

Sterol

0,1-0,2%

13

K

6 mg/g

5

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

B12

7-9 mg/100g

8

Chlorophyll a

2,2%

17

Niacin

25 mg/100g

9

Cholorophyllb

0,58%

18

Acid Nicotinic

145
mg/100g

Tảo có khả năng hấp thu CO 2 và các muối khoáng cần thiết để tổng hợp

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

cả về số lƣợng và chất lƣợng.
+ Nguồn dinh dưỡng cacbon:
Tất cả những loài tảo quang tự dƣỡng đều sử dụng CO 2 hoặc một trong
những dạng hydratcacbon để tổng hợp chất hữu cơ của mình.
Đối với vi tảo ngoài nguồn cacbon đồng hóa thông qua quá trình tự dƣỡng là
CO2và HCO3-, tảo Chlorella còn có khả năng sử dụng các nguồn cacbon hữu cơ
khác nhƣ: glucose, fructose, galactose, fumarat, malat, ethanol, butyrat, acid
acetic…. Trong đó acid acetic vừa là nguồn cacbon vừa là yếu tố điều chỉnh pH

15


của môi trƣờng nuôi.
+ Nguồn dinh dưỡng Nitơ:
Dinh dƣỡng nitơ là thành phần quan trọng của các hợp chất hữu cơ trong cơ
thể quang tự dƣỡng nói chung và trong quá trình quang hợp nói riêng. Nitơ là
thành phần cơ bản tạo nên các loại protein cấu trúc, tham gia vào cấu tạo của
nhiều vitamin B1, B6, B12, PP và là thành phần của hệ enzyme xúc tác nhiều
phản ứng quan trọng của cơ thể.
Các hợp chất nitơ mà tảo Chlorella sử dụng là muối ammonium, nitrate và
urea trong đó ammonium cho kết quả tốt nhất[21].
Ở Chlorella, ngƣời ta thấy nếu thiếu hoàn toàn nguồn dinh dƣỡng nitơ dài
ngày trong môi trƣờng sống sẽ không làm Chlorella vulgaris chết mà khi đó tế
bào Chlorella vulgaris sẽ chuyển sang dạng sống tiềm sinh. Các quá trình sinh
trƣởng, phân chia tế bào, quang hợp, hô hấp và sinh tổng hợp các sắc tố quang
hợp sẽ đƣợc phục hồi lại nếu đƣợc cung cấp đủ lƣợng nitơ cần thiết. Tuy nhiên,
trong điều kiện thiếu nitơ có thể quan sát thấy sự thay đổi màu sắc của tảo từ màu
xanh thành các màu khác nhƣ: bạch tạng, đỏ, da cam [1].
+ Nguồn dinh dưỡng phospho:
Phospho là một trong những nguồn dinh dƣỡng chính cần thiết cho sự sinh

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

trong môi trƣờng, tránh đƣợc cƣờng độ ánh sáng quá mạnh đồng thời tăng hiệu
suất sử dụng ánh sáng của tế bào tảo do khả năng tiếp nhận ánh sáng của tảo ở lớp
sâu sẽ đƣợc xáo trộn lên lớp trên, phòng ngừa điều kiện yếm khí.
Tuy nhiên nếu cƣờng độ xáo trộn quá mạnh sẽ làm giảm khả năng hấp thu
ánh sáng của tảo, giảm sự tăng trƣởng của tảo do xảy ra sự va đập quá mạnh[5].
e. Ánh sáng
Ánh sáng là yếu tố môi trƣờng quan trọng đối với sự phát triển của tảo, là
nguồn năng lƣợng chính cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ
carbondioxide của tảo.
Ảnh hƣởng của ánh sáng đến sự sinh trƣởng của tảo đƣợc thể hiện ở chất
lƣợng ánh sáng (phổ màu), cƣờng độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng[4]. Khi tảo
sinh trƣởng trong điều kiện nhiệt độ và cơ chất ổn định thì tốc độ sinh trƣởng chỉ
phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng.

17


Đối với tảo Chlorella vulgaris thời gian chiếu sáng càng cao thì tốc độ sinh
trƣởng càng cao, tốc độ quang hợp của tảo tỉ lệ với sự tăng cƣờng độ ánh sáng
nằm trong khoảng 1.300lux – 1.900lux [17]. Nếu cƣờng độ ánh sáng trong khoảng
tối ƣu sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho tảo sinh trƣởng và phân chia tế bào. Cƣờng
độ ánh sáng cao hơn mức cho phép sẽ làm ức chế quá trình phân chia của tảo.
Ngoài ra mức độ chiếu sáng phụ thuộc vào mật độ của tảo nuôi[19].
Cƣờng độ ánh sáng trong từng giai đoạn phát triển của tảo có thể biến thiên
từ 500 lux đến 10000 lux [25]. Nếu là ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu sáng
là 12-12h hoặc 12-14 h/ ngày.
f. Các yếu tố sinh học
Các yếu tố sinh học nhƣ vi khuẩn, nguyên sinh động vật….rất khó khắc phục
đối với việc nuôi cấy vi tảo trong các hệ nuôi ngoài trời quy mô lớn. Các nguồn
gây ô nhiễm phổ biến gồm có môi trƣờng nƣớc, chất dinh dƣỡng, bình nuôi và

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

hoa H c C ng Ngh -

hảo s t

oc o

nh gi c c loại m h nh h

sinh h c qui m v a c a ộ N ng Nghi p và Ph t Tri n N ng Th n, Viện Khoa
học và Công nghệ Môi trƣờng, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội ta thấy: đặc
tính hóa học và sinh học cơ bản của nƣớc thải chăn nuôi, chất lƣợng nƣớc thải đầu
ra là quá cao vƣợt mức cho phép nhiều lần. Đây là kết quả điều tra, đánh giá tình
hình xử lý nƣớc thải tại 21 cơ sở chăn nuôi lợn tập trung tại một số tỉnh đồng
bằng sông Hồng, Nam Trung Bộ, miền Đông Nam Bộ. Kết quả các chỉ tiêu trong
nƣớc thải chăn nuôi đƣợc thể hiện qua bảng sau:
Bảng 1.2. Tính chất nƣớc thải chăn nuôi gia súc[2]
Đặc tính

Đơn vị

Giá trị

QCVN 40:2011/BTNMT
A

B

pH

mg/l

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

1100 – 8350

30

50

Tổng P

mg/l

28 – 831

4

6

Tổng N

mg/l

185 – 4539

20

40

SS

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

Nhƣ vậy có thể nhận thấy đặc trƣng cơ bản của nƣớc thải từ các trang trại
chăn nuôi là có nhiều chất ô nhiễm hữu cơ, hàm lƣợng dinh dƣỡng cao (hàm lƣợng
nitơ, phospho rất lớn) do đó nếu thải trực tiếp vào môi trƣờng sẽ gây ra hiện tƣợng
phú dƣỡng cho nguồn tiếp nhận, ngoài ra chúng chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh.
Hiện nay, nƣớc thải chăn nuôi lợn chủ yếu đƣợc xử lý bằng một số phƣơng
pháp thông thƣờng bể Biogas, UASB… sau quá trình xử lý này các thành phần
gây ô nhiễm môi trƣờng vẫn còn ở mức cao (ch y u là hàm lượng c c chất hữu
cơ)[27], do đó việc tiếp tục xử lý nƣớc thải đạt tiêu chuẩn trƣớc khi thải ra môi
trƣờng là rất cần thiết.
Trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam việc ứng dụng các phƣơng pháp sinh học
để xử lý nƣớc thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn thải ra môi trƣờng đã đƣợc nghiên
cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua. Sau hệ thống xử lý Biogas,
UASB… nƣớc thải chăn nuôi sẽ đƣợc tiếp tục xử lý bằng các công trình xử lý
sinh học bể Aerotank, bể lọc sinh học nhỏ giọt, mƣơng oxy hóa…để loại bỏ các
hàm lƣợng chất hữu cơ (N, P) còn lại trong nƣớc thải.
Một số sơ đồ dây truyền công nghệ xử lý nƣớc thải chăn nuôi đang đƣợc
nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam đƣợc thể hiện qua hình 1.3sau:

20


Hình 1.4.Một số hệ thống xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn
Qua hình trên ta thấy các phƣơng pháp trên đều có đặc tính chung là xử lý sinh
học trong điều kiện tự nhiên và hiệu quả xử lý tƣơng đối cao, nƣớc thải đầu ra đạt
tiêu chuẩn môi trƣờng. Tuy nhiên,đặc điểm của nƣớc thải chăn nuôi có hàm lƣợng
chất hữu cơ cao là môi trƣờng sống thích hợp với nhiều loài thủy sinh trong đó có
các loại tảo Chlorella...
Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng ứng dụng Chlorellavào xử lý nƣớc thải

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

tảo trong xử lý nƣớc ô nhiễm. Trên thế giới, nghiên cứu của Luz
EstelaGozález[23] đã phát hiện ra tảo Chlorella vulgaris và Scenedesmus
dimorphus hấp thu 95% NH 4+ và 50% TP trong nƣớc thải. Nghiên cứu của
Sirance Sreesai và Preeda Pakpain[26] đã nghiên cứu khả năng loại bỏ dinh
dƣỡng ra khỏi nƣớc thải của Tảo Chlorella Vulgaris là 88% TKN và 68% TP.
Gần đây nhất, nghiên cứu của Yecong Li, Yi-Feng Chen , Paul Chen, …[29],khả

22