Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi giàu nitơ, photpho bằng vi tảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THÚY HÂN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI
GIÀU NITƠ, PHOTPHO BẰNG VI TẢO

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.Luận văn được thực hiện dưới sự hướng
dẫn của TS.Đoàn Thị Thái Yên.Những tài liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc
và trích dẫn rõ ràng.

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2013
Học viên

Nguyễn Thị Thúy Hân


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn đến TS. Đoàn Thị Thái Yên,

cô đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Em xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học & Công nghệ môi trường và
Phòng thí nghiệm R & D công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép
em tiến hành các thí nghiệm liên quan đến luận văn tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn anh chị kỹ thuật viên Phòng thí nghiệm R&D công nghệ môi
trường đã hướng dẫn em trong việc sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm.
Tôi xin cảm ơn các bạn Tuấn, Tuyến, Trang và Hoàng cùng thuộc nhóm
nghiên cứu tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của TS. Đoàn Thị Thái Yên, sự giúp đỡ
và động viên của các bạn đã góp phần không nhỏ để tôi có thể hoàn thành luận văn
tốt nghiệp.
Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn tới các em Thúy, Hiền và Long đã giúp đỡ tôi
trong thời gian tôi thực hiện các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ
và môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Cuối cùng, xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè - những
người luôn luôn ủng hộ, tin tưởng và giúp đỡ tôi./.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Học viên

Nguyễn Thị Thúy Hân


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................5
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................8
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9

1. Đặt vấn đề ............................................................................................................9
2. Mục đích nghiên cứu .........................................................................................10
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................12
1.1. T ng quan về nước thải chăn nuôi lợn ...........................................................12
1.1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam ......................................................12
1.1.2. Thành phần đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn .................................12
1.1.2.1. Phân ...................................................................................................13
1.1.2.2. Nước tiểu ............................................................................................14
1.1.2.3. Nước thải ............................................................................................14
1.1.3. Đặc điểm của N, P trong nước thải chăn nuôi.........................................14
1.1.4. nh hưởng của nước thải chăn nuôi giàu N, P đến môi trường...............16
1.1.4.1. Ô nhiễm nguồn nước ..........................................................................16
1.1.4.2. Ô nhiễm đất ........................................................................................16
1.1.4.3. Ô nhiễm không khí.............................................................................17
1.1.5. Các phương pháp xử l nước thải chăn nuôi hiện nay và hiệu quả của các
phương pháp. ......................................................................................................18
1.1.5.1. Các phương pháp vật lý xử lý nước thải chăn nuôi ..........................18
1.1.5.2. Các phương pháp hóa học và hóa l xử l nước thải chăn nuôi ........18
1.1.5.3. Các phương pháp sinh học xử l nước thải chăn nuôi .....................19
1.2. T ng quan về tảo ............................................................................................21
1.2.1. Giới thiệu chung về tảo ...........................................................................21
1


1.2.2. Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella ........................................................21
1.2.2.1. Đặc điểm và phân loại........................................................................21
1.2.2.2. Hình thái, cấu trúc ..............................................................................22
1.2.2.3. Sinh sản ..............................................................................................23
1.2.2.4. Quá trình phát triển của tảo Chlorella vulgaris ..................................24

1.2.2.5. Thành phần hóa học có trong tảo .......................................................25
1.2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo[4] ...........................25
1.2.3. Ứng dụng và khả năng xử l nước thải của tảo trên thế giới và ở Việt
Nam ....................................................................................................................27
1.2.3.1. Ứng dụng của vi tảo[16] ....................................................................27
1.2.3.2. Khả năng sử dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải[12] 27
1.2.4. Hệ thống nuôi trồng vi tảo và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống . ........29
1.2.4.1. Các hệ thống nuôi trồng vi tảo[11, 12] ..............................................29
1.2.4.2. Phương thức nuôi trồng vi tảo ...........................................................32
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................33
2.1. Điều kiện nuôi cấy và giữ giống trong phòng thí nghiệm ..............................33
2.1.1. Nguồn gốc tảo ..........................................................................................33
2.1.2. Phương pháp nuôi cấy ..............................................................................33
2.1.3. Điều kiện nuôi cấy và giữ giống ..............................................................34
2.1.4. Vị trí và phương pháp lấy mẫu .................................................................34
2.1.5. Phương pháp nhân giống ..........................................................................35
2.2. Phương pháp xác định quá trình sinh trưởng của vi tảo .................................36
2.4 Phương pháp xác định nồng độ sinh khối khô ................................................37
2.5. Phương pháp phân tích các thông số môi trường ...........................................38
2.5.1. Phương pháp phân tích COD ...................................................................38
2.5.2. Phương pháp phân tích BOD5 ..................................................................39
2.5.3. Phương pháp phân tích NH4+-N ..............................................................39
2.5.4. T ng Nitrogen Kjeldahl (TKN)................................................................40
2.5.5. Phương pháp phân tích t ng Photpho (TP) và Octophotphat (PO43-) ......40
2


2.5.6. T ng chất rắn lơ lửng ...............................................................................41
2.5.7. Đo pH ......................................................................................................41
2.6. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng ô nhiễm tới khả năng phát

triển của tảo và hiệu suất xử l nước thải bằng vi tảo. ..........................................41
2.7. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ánh sáng tới hiệu suất xử l và
khả năng phát triển của tảo. ...................................................................................42
2.8.

nh hưởng của chế độ sục khí tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của

tảo. .........................................................................................................................42
2.9. nh hưởng của tần suất thu tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của tảo. .43
2.10. Xử lý số liệu..................................................................................................43
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................44
3.1. Tính chất đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn ...........................................44
3.2.

nh hưởng của các mức tải lượng nước thải đầu vào đến phát triển và hiệu

quả xử l của tảo. ...................................................................................................45
3.2.1. Khảo sát khả năng tăng trưởng của tảo ở các mức tải lượng nước thải
khác nhau. ...........................................................................................................45
3.2.2. Sự biến đ i COD và hiệu suất xử l ở các mức tải lượng nước thải khác
nhau. ...................................................................................................................46
3.2.3. Sự biến đ i Nitơ và hiệu suất xử lý ở các mức tải lượng nước thải khác
nhau ....................................................................................................................47
3.2.4. Sự biến đ i P và hiệu suất xử l ở các mức tải lượng khác nhau. ...........48
3.3. nh hưởng của chế độ ánh sáng tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của
tảo. .........................................................................................................................49
3.3.1. Khảo sát sự tăng trưởng của tảo ...............................................................50
3.3.2. Sự biến đ i COD ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux .......................51
3.3.3. Sự biến đ i NH4+-N ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux. .................52
3.3.4. Sự biến đ i TP ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux. ..........................53

3.3.5. Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP ở chế độ ánh sáng 2000lux và 4000lux 53

3


3.4. nh hưởng của chế độ sục khí tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của
tảo ..........................................................................................................................54
3.4.1. Khảo sát sự tăng trưởng của tảo ...............................................................56
3.4.2. Sự biến đ i COD ở 2 chế độ sục khí khác nhau.......................................56
3.4.3. Sự biến đ i NH4+-N ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm .....................57
3.4.4. Sự biến đ i TP ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm ..............................58
3.4.5. Hiệu suất xử lý COD, TKN, TP chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm ......58
3.5.

nh hưởng của tần suất thu tới hiệu suất xử l và khả năng phát triển của vi

tảo. .........................................................................................................................60
3.5.1. Thí nghiệm bán liên tục mỗi ngày thay thế 20% và 30% dung dịch vi tảo
bằng nước thải chăn nuôi lợn pha loãng. ...........................................................60
3.5.2. Thí nghiệm bán liên tục 3 ngày thay thế 30% dung dịch vi tảo bằng nước
thải chăn nuôi lợn pha loãng. .............................................................................63
KẾT LUẬN ..............................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................67

4


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BNNPTNT : Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn
COD

: Nhu cầu oxy hóa hóa học

PBR

: Thiết bị phản ứng quang sinh học

TKN

: T ng Nitơ

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Tảo Chlorella vulgaris ..............................................................................22
Hình 1.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo ................................................24
Hình 1.3. Các dạng bể hở: raceway (a,b), bể tròn (c), bể dốc (d) .............................30
Hình 1.4. Một số thiết bị PBR dạng ống và dạng tấm ..............................................31
Hình 2.1. Vị trí lấy mẫu ............................................................................................34
Hình 2.2. Hệ thống nuôi giữ giống tảo sử dụng trong đề tài.....................................36
Hình 2.3. Buồng đếm hồng cầu Improved Neubauer, Đức.......................................36
Hình 3.1. Đường cong sinh trưởng của sinh khối tảo ở các mức tải lượng ô nhiễm
nước thải khác nhau ..................................................................................................45
Hình 3.2. Biến đ i COD ở các mức tải lượng nước thải khác nhau ........................46
Hình 3.3. Hiệu suất xử l COD ở các mức tải lượng khác nhau. .............................47
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử l N t ng (TKN) ở các mức pha loãng khac
nhau. ..........................................................................................................................48
Hình 3.5. Biến đ i của t ng P và hiệu suất xử l ở các mức ô nhiễm đầu vào khác
nhau ...........................................................................................................................49

Hình 3.6: Thiết bị phản ứng quang sinh học dạng ống sử dụng trong nghiên cứu........50
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối khô của tảo ở chế độ ánh sáng 2000lux
và 4000lux. ................................................................................................................51
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự biến đ i của COD theo ngày ở chế độ 2000lux và
4000lux. .....................................................................................................................52
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn sự thay đ i NH4+-N ở ánh sáng 2000lux và ánh sáng
4000lux. .....................................................................................................................52
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn sự thay đ i của P theo ngày ở ánh sáng 2000lux và
4000lux. .....................................................................................................................53
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD, NH4+-N, TP ở chế độ ánh sáng
2000lux và 4000lux ...................................................................................................54
Hình 3.12. Lưu lượng kế sử dụng trong nghiên cứu. ................................................55
6


Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối tảo ở chế độ sục khí 0,05vvm và
0,1vvm. ......................................................................................................................56
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự thay đ i COD ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm ..57
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự thay đ i NH4+-N ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm .57
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn sự thay đ i TP ở chế độ sục khí 0,05vvm và 0,1vvm ..58
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD, NH4+-N, TP ở chế độ sục khí
0,05vvm và 0,1vvm. ..................................................................................................59
Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối khô của tảo trong thí nghiệm bán liên
tục ..............................................................................................................................61
Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn sự thay đ i các chất ô nhiễm: NH4-N, PO43- và COD. ....62
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn nồng độ sinh khối khô của tảo trong thí nghiệm bán liên
tục ..............................................................................................................................63
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn sự thay đ i các chất ô nhiễm: NH4-N, PO43- và COD. .....64

7

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần phân lợn từ 70-100 kg[1] ......................................................13
Bảng 1.2. Thành phần hóa học nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg ..............14
Bảng 1.3. Phân loại các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi ..........................18
Bảng 1.4. Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris [21] ....................25
Bảng 1.5. Hiệu suất xử lý nước thải bò sữa ở các mức pha loãng khác nhau[8]. .....28
Bảng 1.6. So sánh giữa bể hở và PBR[15] ................................................................31
Bảng 2.1. Thành phần của môi trường BG-11 ..........................................................33
Bảng 3.1. Tính chất đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn đề tài nghiên cứu.........44
Bảng 3.2. Giá trị mức tải lượng ô nhiễm của các loại pha loãng của nước thải đầu
vào .............................................................................................................................45

8


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và các ngành kinh tế khác,
ngành chăn nuôi ở Việt Nam nói chung và ngành chăn nuôi lợn nói riêng cũng
không ngừng tăng trưởng về mặt số lượng và chất lượng qua các năm. Ngành chăn
nuôi lợn không những góp phần cung cấp nhu cầu thực phẩm thiết yếu cho cuộc
sống mà còn thúc đẩy phát triển xã hội. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích về mặt
kinh tế - xã hội thì chất thải chăn nuôi lợn ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường
sống và sức khỏe con người. Nguyên nhân vì mô hình chăn nuôi trang trại, hộ gia
đình nằm rải rác, chưa được quy hoạch hợp l dẫn đến việc kiểm soát gặp nhiều khó
khăn. Nguồn chất thải chăn nuôi lợn khi ra ngoài môi trường ở các dạng rắn, lỏng,
khí, đặc biệt nguồn nước thải có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, virut, vi trùng, vi
khuẩn, trứng giun sán và hàm lượng Nitơ, Photpho rất cao. Nguồn nước này khi thải

ra môi trường mà chưa xử l thì có nguy cơ gây ô nhiễm nước mặt, nước ngầm gây
phú dưỡng hóa nguồn tiếp nhận và trở thành nguyên nhân trực tiếp hoặc gián tiếp
gây phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc. Đồng thời nó có thể lây lan 1 số bệnh cho
con người và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Chính vì vậy việc xử l nước
thải cho các trang trại chăn nuôi lợn là hết sức cần thiết đối với quá trình phát triển
ngành chăn nuôi của nước ta hiện nay, góp phần phát triển bền vững kinh tế-xã hội.
Trong công nghệ xử l nước thải chăn nuôi lợn đòi hỏi sự kết hợp các quá
trình vật lý, hóa học và sinh học khác nhau. Xử l nước thải chăn nuôi bằng phương
pháp sinh học ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền xử l nước
thải hiện nay. Phương pháp này có ưu điểm là khả năng khử các hợp chất hữu cơ
hòa tan với hiệu suất cao, đồng thời cũng cho phép thu hồi một số sản phẩm có giá
trị vì vậy đã góp phần làm giảm giá thành xử l nước thải. Trong các phương pháp
xử l sinh học nước thải có một phương pháp đã giành được nhiều sự quan tâm đặc
biệt của các nước có khí hậu nhiệt đới, đó là phương pháp nuôi trồng các loại vi tảo
trong nước thải. Phương pháp này có một số ưu điểm đáng chú

như: tiết kiệm chi

phí, yêu cầu trình độ công nghệ thấp hơn, không sinh ra bùn thải và cho phép tái
9


chế dưỡng chất tốt hơn. Ngoài ra sinh khối vi tảo là nguồn nguyên liệu có giá trị
kinh tế như làm phân bón, thức ăn cho vật nuôi, nuôi trồng thủy hải sản và sản xuất
nhiên liệu sinh học.
Hiện nay có rất nhiều loài vi tảo, trong đó tảo Chlorella vulgaris được đánh
giá cao trong xử l nước thải chăn nuôi. Chlorella vulgaris thích ứng nhanh trong
nước thải chăn nuôi lợn, tốc độ phát triển cao, có hiệu quả xử l cao đối với các hợp
chất:Nitơ, Photpho… nếu nuôi ở nồng độ và điều kiện thích hợp. Sinh khối tảo thu
được trong quá trình xử lý có thể được ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học.

Sử dụng Chlorella vulgaris trong xử l nước thải chăn nuôi có nhiều ưu điểm, phù
hợp với tình hình nước ta hiện nay và mang tính thực tiễn cao.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn giàu Nitơ, Photpho bằng vi tảo
Chlorella vulgaris .
3. Đối tượng v ph m vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nước thải chăn nuôi lợn đã qua xử lý sinh học yếm
khí bằng bể UASB. Tuy nhiên nước thải sau khi qua bể vẫn còn một lượng lớn các
chất ô nhiễm chưa xử lý triệt để (hàm lượng Nitơ, Photpho còn lại tương đối cao).
Ph m vi nghiên cứu: Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm ở quy mô bình
tam giác 250 ml, bình nhựa 3 lít và hệ thống 3 thiết bị quang sinh học dạng ống kín
(PBR- Photo-Bio Reactor) có kích thước L x D = 1,8 m x 0,15 m, thể tích làm việc
khoảng 30 lít ống
Nghiên cứu này tập trung đi vào một số nội dung sau:
+ Khảo sát ảnh hưởng của các mức tải lượng ô nhiễm đến sự tăng trưởng của
Chlorella vulgaris và hiệu suất xử l COD và Nitơ, Photpho.
+

nh hưởng của chế độ ánh sáng đến khả năng xử lý ô nhiễm và tăng trưởng

của tảo Chlorella vulgaris trong nước thải.
+ Chế độ vận hành hệ thống PBR:

nh hưởng của chế độ sục khí đến khả năng

xử lý ô nhiễm và tăng trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong nước thải.

10

+ Chế độ vận hành hệ thống PBR:

nh hưởng của tần suất thu sinh khối/ xả

nước tới khả năng xử l ô nhiễm và tăng trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong
nước thải.

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nước th i ch n nu i lợn
1.1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam
Theo đánh giá của T chức Lương thực Thế giới (FAO): Châu Á sẽ trở thành
khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm từ chăn nuôi lớn nhất. Chăn nuôi Việt
Nam, giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm
đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu. Trong
thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh (Bình quân
giai đoạn 2001-2006 đạt 8,9%).
Trong những năm gần đây xu hướng chăn nuôi nhỏ lẻ đã giảm đi đáng kể. Tỷ
lệ số hộ nuôi 1 con lợn giảm đi rõ rệt từ 45% năm 1994 xuống dưới 30% năm 2001.
tuy nhiên, tỷ lệ số hộ nuôi 2 con lợn năm 2001 vẫn chiếm 67% t ng số hộ (so với
82% năm 1994) [7]. Quy mô phát triển chăn nuôi của các hộ đã lớn hơn nhưng tính
chuyên môn hoá chưa cao.
Trong xu thế chuyên môn hóa sản xuất, hình thức chăn nuôi tập trung ngày
càng ph biến ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới. Hiện nay, số lượng trại
chăn nuôi quy mô lớn ngày càng tăng. Các trại chăn nuôi lợn tập trung có trên 400 –
500 con có mặt thường xuyên trong chuồng nuôi tăng lên. Tính đến năm 2006 cả
nước có: 17.721 trang trại, chưa kể các trang trại chăn nuôi các loại vật nuôi khác
như thỏ, lợn rừng, nhím và các loại động vật sống trong nước (cá sấu,... ). Trong đó:

có 7.475 trang trại chăn nuôi lợn, (miền Bắc: 3.069, miền Nam: 4.406).
Số lượng trang trại chăn nuôi lợn chiếm khoảng 42,1% t ng số lượng trang
trại chăn nuôi ở Việt Nam. Do đó có thể thấy rằng nước thải chăn nuôi lợn là nguồn
gây ô nhiễm chủ yếu trong ngành chăn nuôi và cần có sự quan tâm đúng mực để
đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường.
1.1.2

h nh ph n

c trưng c a nư c th i chăn nuôi lợn

Chất thải sinh ra từ chuồng trại chăn nuôi lợn được thu gom xuống hầm tiêu
bao gồm: phân từ lợn nuôi, nước tắm lợn, nước vệ sinh chuồng, nước tiểu lợn, khí,
mùi hôi bay ra từ nước tiểu lợn, phân lợn…
Theo báo cáo của Antonie Pouilieute [7] nước thải chăn nuôi lợn bao gồm
các thành phần chính sau:
12


- Các chất hữu cơ: hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% bao gồm cellulose, protit,
acid amin, chất béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của chúng, thức ăn thừa. Các
chất vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-.
- N và P: khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên
khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu.
Trong nước thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng N và P rất cao .
-

Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và

trứng ấu trùng giun sán gây bệnh.

1.1.2.1. Phân
Phân là sản phẩm loại thải của quá trình tiêu hoá của gia súc, gia cầm bị
bài tiết ra ngoài qua đường tiêu hóa. Chính vì vậy phân gia súc là sản phẩm dinh
dưỡng tốt cho cây trồng hay các loại sinh vật khác như cá, giun…. Do thành
phần giàu chất hữu cơ của phân nên chúng rất dễ bị phân hủy thành các sản
phẩm độc, khi phát tán vào môi trường có thể gây ô nhiễm cho vật nuôi, cho
con người và các sinh vật khác. Thành phần hoá học của phân bao gồm: các
chất hữu cơ (protein, chất béo, …), các chất vô cơ ( khoáng đa lượng và vi lượng),
nước, dư lượng thuốc kích thích, hooc môn,… Bên cạnh đó là các vi sinh vật gây
bệnh như vi trùng, vi rút.
Thành phần của phân có thể thay đ i phụ thuộc vào: chế độ dinh dưỡng,
giống lợn, trọng lượng của lợn trong từng giai đoạn phát triển.[1]
B ng 1.1. Thành phần phân lợn từ 70-100 kg[1]
Đặc tính

Đơn vị tính

Giá trị

Vật chất khô

gram/kg

213-342

NH4-N

gram/kg

0,66-0,76

N t ng

gram/kg

7,99-9,32

Tro

gram/kg

32,5-93,3

Chất xơ

gram/kg

151-221

Carbonates

gram/kg

0,23-2.11

Các acid béo ngắn mạch

gram/kg

3,83-4,47

pH

6,47-6,95

13


1.1.2.2. Nước tiểu
Nước tiểu của lợn là sản phẩm bài tiết chứa đựng nhiều độc tố, là sản
phẩm cặn bã từ quá trình sống, khi phát tán vào môi trường có thể chuyển hoá
thành các chất ô nhiễm gây tác hại cho con người và môi trường.
B ng 1.2. Thành phần hóa học nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg
Ch tiêu

Đ nv

Gi tr
6,77 – 8,19

pH
NH4

g/kg

0,13 – 0,4

N t ng

g/kg

4,90 – 6,63

Urê

g/kg

123 - 196

Carbonat

g/kg

0,11 – 0,19

1.1.2.3. Nước thải
Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm cả nước tiểu, nước tắm gia súc, rửa
chuồng. Thành phần của nước thải rất phong phú, chúng bao gồm các chất rắn ở
dạng lơ lửng, các chất hòa tan hữu cơ hay vô cơ, trong đó nhiều nhất là các
hợp chất chứa nitơ và photpho. Nước thải chăn nuôi còn chứa rất nhiều vi sinh
vật, ký sinh trùng, nấm, nấm men và các yếu tố gây bệnh sinh học khác. Do ở
dạng lỏng và giàu chất hữu cơ nên khả năng bị phân hủy vi sinh vật rất cao.
Chúng có thể tạo ra các sản phẩm có khả năng gây ô nhiễm cho cả môi trường
đất, nước và không khí.
Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của
phân, nước tiểu của lợn, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu
gom (số lần thu gom, vệ sinh chuồng trại và có hốt phân hay không hốt phân
trước khi rửa chuồng), lượng nước dùng tắm và vệ sinh chuồng trại…
1.1.3.

c i m c a N P trong nư c th i chăn nuôi
Khả năng hấp thụ Nitơ và Photpho của gia súc, gia cầm rất kém, nên khi

thức ăn có chứa Nitơ, Photpho vào thì chúng sẽ bị bài tiết theo phân và nước tiểu.
Trong nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng Nitơ và Photpho rất cao. Hàm

14


lượng Nitơ t ng trong nước thải chăn nuôi lợn của trại chăn nuôi đo được sau khi
ra khỏi UASB là 841-872mg/l, Photpho t ng là 297-374mg/l. Theo Jongbloed và
Lenis 27 , đối với lợn trưởng thành khi ăn vào 100g Nitơ thì: 30g được giữ lại cơ
thể, 50g được bài tiết ra ngoài theo đường nước tiểu dưới dạng ure, còn 20g ở dạng
phân Nitơ vi sinh vật khó phân hủy và an toàn cho môi trường.
Nitơ bài tiết ra ngoài theo nước tiểu và phân dưới dạng ure, sau đó nhanh chóng
chuyển hóa thành NH3 theo phương trình sau:
(NH2)2CO + H2O -> NH4 + OH-+ CO2 <-> NH3+ CO2 + H2O
Khi nước tiểu và phân bài tiết ra ngoài, vi sinh vật sẽ tiết ra enzime ureaza
chuyển hóa ure thành NH3, NH3 phát tán vào không khí gây mùi hôi hoặc khuếch
tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước.
Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào:
- Lượng ure trong nước tiểu
- pH của nước thải, khi pH tăng, NH4+ sẽ chuyển thành NH3. Ngược lại, khi pH
giảm, NH3 chuyển thành NH4+
NH3 + H2O <--> NH4+ + OH- Điều kiện lưu trữ chất thải
Hàm lượng N-NH3 trong nước thải của trại chăn nuôi sau khi ra khỏi UASB khá
lớn, chiếm 75-85% hàm lượng Nitơ t ng. Nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng lớn
Nitơ, Photpho. Đây là nguyên nhân có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa cho các
nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng xấu đến chất lượng nguồn nước và các vi sinh vật
sống trong nước.

Photpho tồn tại trong môi trường chủ yếu dưới dạng octophotphat (PO43-) có hóa
trị 5+. ở dạng này dễ được các thực vật ở cạn và ở nước hấp thụ. Động vật bài tiết
lượng photpho trong thức ăn ở dạng phosphat qua nước tiểu. Photpho cố định trong
sinh giới được giải phóng khi bị phân huỷ do hoạt động của các vi khuẩn phosphat
hóa, quá trình này bẻ gãy các hợp chất phosphat hữu cơ giải phóng ra ion phosphat.

15


1.1.4. nh hưởng c a nư c th i chăn nuôi gi u N P

n môi trư ng

1.1.4.1. Ô nhiễm nguồn nước
Nước thải chăn nuôi lợn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nhưng hiện
nay vẫn chưa được quan tâm và xử lý triệt để. Hàng năm nước ta thải ra khoảng 73
triệu tấn chất thải rắn và 25-30 triệu khối chất thải lỏng và hàng trăm triệu tấn chất
thải khí [2]. Trong đó, khoảng 50% chất thải rắn và 80% chất thải lỏng bị xả thẳng
ra môi trường mà không qua xử l . Nước thải ra môi trường dẫn tới hiện tượng phú
dưỡng hóa đối với nước mặt. Hậu quả là gây ra sự phát triển quá mức của rong, tảo
khi trong nước giàu Nitơ, Photpho. Khi đó các vi khuẩn phân hủy rong tảo cũng
phát triển, nó sẽ sử dụng nồng độ oxy có trong nước làm cạn kiệt lượng oxy. Khi
thiếu oxy sinh vật trong nguồn nước đó sẽ chết và gây ra mùi hôi thối. Khi quá trình
oxy hóa bị ngưng lại thì quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra. Các vi khuẩn kỵ khí phân
hủy các hợp chất hữu cơ còn lại tạo ra một số khí như: CH4, CO2, H2S, . . . Vì vậy
nếu xả trực tiếp nước thải chăn nuôi lợn chưa xử lý có nồng độ cao N, P ra môi
trường sẽ gây ảnh hưởng đến sinh thái nước, gây ra mùi hôi thối, gây ô nhiễm thứ
cấp nước mặt và một phần nào đó là nước ngầm.
Trong nước thải chăn nuôi lợn tồn tại một lượng lớn NH3, NH3 trải qua quá trình
nitrat hóa tạo thành NO3- ngấm vào nước ngầm, vào đất. Nước sinh hoạt hàng ngày

có nồng độ NO3- cao sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Các vi trùng và kí sinh trùng như: E.Coli, Salmonella, Cryptospridium, Giardia,
Cholera, Streptococus, … là các mầm mống gây bệnh cho cả ở lợn và con người.
Nước thải chăn nuôi còn là môi trường tốt cho ruồi nhặng phát triển mạnh, gây
khó chịu cho người và gia súc. Chúng còn là những vật trung trung gian truyền các
bệnh truyền nhiễm cho người và vật nuôi.
1.1.4.2. Ô nhiễm đất
Chất thải chăn nuôi lợn có thể được dùng làm phân để bón cho cây trồng tăng độ
màu mỡ của đất, tăng năng suất cây trồng. Tuy nhiên nếu bón nước thải chưa xử lý
và phân lợn tươi với lượng nhiều sẽ làm cây trồng chết và làm ô nhiễm nguồn đất.

16


Ngoài ra đất bón phân lợn tươi nhiều năm ở lượng lớn sẽ làm cho đất bị nhiễm
những kim loại nặng như Cu, Zn vì các kim loại này có trong thức ăn để tăng năng
suất và phòng ngừa dịch bệnh. Về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến vật nuôi và sức khỏe
con người do sử dụng các sản phẩm trồng trọt từ nguồn đất bị ô nhiễm đó.
Khi dùng phân tươi để bón cho cây trồng thì sẽ có nguy cơ gây ảnh hưởng đến
sứa khỏe con người vì trong phân tươi nhiễm rất nhiều vi trùng, vi rut, trứng ấu
trùng, vi khuẩn…Chúng sẽ bám vào rau theo đường thức ăn vào cơ thể con người
và vật nuôi, tăng nguy cơ lây nhiễm các bệnh về tiêu hóa và hô hấp.
1.1.4.3. Ô nhiễm không khí
Các khí chính trong chăn nuôi thường ảnh hưởng đến sức khỏe con người như:
bụi, NH3, H2S và CH4 tới. Ngoài ra, các khí này thường quan tâm xác định do
không những ảnh hưởng đến con người và vật nuôi mà còn gây ra hiệu ứng nhà
kính, làm biến đ i khí hậu toàn cầu.
a/ Khí Ammonia (NH3)
Đây là loại khí chiếm nhiều nhất sinh ra từ chăn nuôi. NH3 được sinh ra từ quá
trình khử amin của protein trong chất thải chăn nuôi và nó có trong nước tiểu của

lợn. Nồng độ của NH3 phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, thành phần rắn
của phân lợn. NH3 trong không khí cao kéo dài có thể gây viêm ph i, gây hoại tử
đường hô hấp và dẫn tới ung thư. NH3 từ ph i vào máu đi lên não gây nhức đầu và
có thể dẫn đến hôn mê.
b/ Khí Hydrogen sulphide (H2S)
Khí H2S là sản phẩm của quá trình phân giải axit amin chứa lưu huỳnh trong
phân diễn ra trong quá trình lưu trữ, ủ phân và hầm xử lý kỵ khí. H2S là loại khí rất
độc, với 1 hàm lượng nhỏ có thể gây chết người.
c/ Khí CH4
Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải
chăn nuôi, phân lợn tạo sản phẩm cuối cùng là CH4. Nồng độ CH4 trên 45% trở lên
thì gây ngạt thở do thiếu oxy.
d/ Khí Cacbondioxit (CO2)
17


Là sản phẩm được tạo ra từ quá trình hô hấp và phân hủy các chất hữu cơ trong
nước thải. Nồng độ CO2 trong không khí chuồng nuôi phụ thuộc vào số lượng vật
nuôi, đặc điểm sinh lý, nhiệt độ và độ ẩm của chuồng nuôi.
1.1.5

c phư ng ph p

l nư c th i chăn nuôi hiện na v hiệu qu c a c c

phư ng ph p.
Có nhiều phương pháp xử l nước thải chăn nuôi, có thể phân loại một số phương
pháp cơ bản xử l nước thải chăn nuôi theo bảng 1.3 dưới đây:
B ng 1.3. Phân lo i các phư ng pháp xử lý nước th i ch n nuôi
Phư ng ph p

Vật l
Hóa học

Sinh học

Qu tr nh
Dùng các tác nhân vật lý để tách thành phần rắn ra khỏi
dòng nước thải
Dùng hoá chất để tách hoặc chuyển hoá các chất ô nhiễm
Dùng các tác nhân sinh học để tách hoặc phân giải,
chuyển hoá các chất ô nhiễm

1.1.5.1. Các phương pháp vật lý xử lý nước thải chăn nuôi
Các phương pháp áp dụng các quá trình vật lý như sàng lọc, tách cơ
học, trộn, khuấy, tủa n i, tủa lắng, lọc hay hóa lỏng khí…nhằm loại bớt một
phần cặn ra khỏi nước thải chăn nuôi, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học
và sinh học ở phía sau được thực hiện tốt hơn. Phương pháp vật lý thường được
kết hợp với các phương pháp sinh học hay hóa học để tăng hiệu quả của các
quá trình chuyển hóa và tách các chất cặn, chất kết tủa hay sau tuyển n i…
1.1.5.2. Các phương pháp hóa học và hóa lý xử l nước thải chăn nuôi
Là phương pháp dùng các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa
làm thay đ i bản chất chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi. Các quá trình hóa
học có thể áp dung là: trung hòa, sử dụng các chất oxy hóa khử, kết tủa hay
tuyển n i hóa học, hấp phụ hóa học, tách bằng màng và khử trùng hóa học….
Xử lý hóa học thường gắn với phương pháp xử lý vật lý hay xử lý sinh học.
18


Phương pháp xử lý hóa thường hạn chế sử dụng trong thực tế do có một số bất
lợi:

- Việc sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý có thể tạo ra các ô nhiễm thứ
cấp, đặc biệt là trong thành phần bùn thải sau xử lý, gây nên tốn kém phát sinh của
hậu xử lý nước thải.
- Giá thành xử lý cao do chi phí về hóa chất, năng lượng, thiết bị của
hệ thống phức tạp hay bị hỏng hóc, khó vận hành, bảo trì hệ thống và tiêu tốn
nhiều năng lượng.
Trong nước thải chăn nuôi thường chứa nhiều thành phần hòa tan hay
các hạt có kích thước nhỏ, không thể tách khỏi dòng nước thải bằng phương pháp
vật lý. Cho nên để tách các chất này ra khỏi nguồn nước người ta thường sử dụng
các tác nhân tạo keo tụ như phèn sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tụ, polymer hữu
cơ… để tăng tính tủa, lắng hay tuyển n i của các hạt rắn và keo trong hỗn hợp
phân lỏng và cuối cùng tách chúng ra khỏi dòng thải.
Ngoài ra ở một s ố cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nước thải đòi hỏi
mức độ sạch sinh học cao, người ta còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo
để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước khi
thải ra nguồn tiếp nhận. Phương pháp này thường gặp nhất là diệt trùng nước thải
sau xử lý sinh học trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. Có thể dùng khí clo hoặc các
dẫn xuất của chúng như canxihydrocloride, clorua vôi, cloramine để khử trùng
nước thải. Khi vào nước, clo kết hợp với nước tạo ra acid HOCl là chất có tính
oxy hóa mạnh, có tác dụng diệt khuẩn và khử mùi. Khi tính toán lượng Cl khử
trùng trong các chế phẩm của nó, người ta tính clo hoạt tính theo phầm trăm (%)
hoặc ppm lượng Cl hoạt tính cho vào nước thải.
1.1.5.3. Các phương pháp sinh học xử l nước thải chăn nuôi
Đây là nhóm phương pháp thường được sử dụng rộng rãi hơn so với
các phương pháp khác trong xứ lý nước thải chăn nuôi do nước thải chăn nuôi
giàu thành phần hữu cơ, cho nên dễ áp dụng phương pháp xử lý sinh học.
Phương pháp sinh học xử lý nước thải chăn nuôi là các phương pháp dùng các
19

tác nhân sinh học như tảo, vi khuẩn, nấm, nguyên sinh động vật, thực vật sống
trong nước hay các động vật như cá, nhuyễn thể… để phân hủy, chuyển hóa
và chuyển dạng các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi. Trong các hệ
thống xử lý sinh học, hệ sinh vật khai thác năng lượng từ các chất thải để duy
trì hoạt động sống và tăng trưởng nhờ hệ thống enzyme sinh học. Dựa vào khả
năng này của vi sinh vật, người ta sử dụng vi sinh vật nhằm chuyển hóa các chất
thải sinh học (biowastes) thường là các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi
sang dạng không ô nhiễm hay loại bỏ chúng ra khỏi dòng thải. Các quá trình
phân giải dị hóa của vi sinh vật, tảo, nấm men và nấm là những con đường
chính cho toàn bộ hay ít nhất là một phần của quá trình phân hủy các hợp chất
hữu cơ có nguồn gốc từ phân, nước tiểu hay xác động vật.
- Mục tiêu của xử lý sinh học nước thải là loại bỏ các chất ô nhiễm bởi
quá trình chuyển hóa và t ng hợp sinh khối trong các tác nhân sinh học. Quá
trình phân giải các chất hữu cơ tạo thành các chất đơn giản như CH4, CO2,
H2O, NH3, khí NOx… và cuối cùng chúng sẽ bị loại bỏ khỏi dòng nước thải
bằng quá trình lắng bùn, chuyển thành dạng bền vững không độc của các hợp
chất hữu cơ và vô cơ hòa tan và loại bỏ các chất dinh dưỡng (N, P) trong nước
thải.
- Ưu điểm của các phương pháp sinh học là phương pháp rẻ tiền, an toàn
cho môi trường so với phương pháp hóa học. Ngoài lợi ích về môi trường,
phương pháp xử lý sinh học còn có khả năng tạo các sản phẩm phụ có giá trị
kinh tề như khí sinh học (biogas), phân vi sinh hay nhiều sản phẩm khác…
- Tuy nhiên phương pháp xử lý sinh học thường phụ thuộc vào một số
các yếu tố môi trường như thời tiết, nhiệt độ, thời gian xử lý khá lâu, đòi hỏi mặt
bằng rộng và có thể tạo mùi hay các khí nếu không che phủ kín và quản lý tốt
chúng có thể phát tán vào môi trường.
Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững là mục tiêu của các quốc gia trên
thế giới hướng tới. Xử l nước thải bằng phương pháp sinh học đem lại hiệu quả
cao, có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác. Một trong những
20

phương pháp xử l nước thải bằng phương sinh học sử dụng vi tảo đã được thực
hiện ở nhiều nước và ở Việt Nam. Các công trình xử l nước thải chăn nuôi bằng
vi tảo đã và đang được nghiên cứu, mở rộng quy mô để đạt được hiệu quả tối ưu.
Bên cạnh việc xử l nước thải sinh khối tảo thu được có thể sử dụng làm thức ăn
chăn nuôi, năng lượng sinh khối, … Vì vậy, sử dụng vi tảo để xử l nước thải
chăn nuôi là một hướng đi có tiềm năng với nhiều ưu điểm và ứng dụng trong
thực tiễn.
1.2. Tổng quan về t o
i i thiệu chung v t o

1

Tảo là thuật ngữ chỉ nhóm thực vật bậc thấp chứa diệp lục có khả năng quang
t ng hợp các chất hữu cơ từ CO2, nước và các chất dinh dưỡng vô cơ. Chúng có khả
năng quang tự dưỡng sử dụng năng lượng mặt trời chuyển những chất vô cơ thành
dạng đường đơn giản.
Tảo là sinh vật sản xuất, là mắt xích đầu tiên trong chỗi thức ăn. Tảo sống ở nước
mặn, nước ngọt và cả nước lợ. Tảo rất phong phú về loài và đa dạng về cấu trúc.
Dựa vào màu sắc có thể phân loại tảo thành: tảo lam, tảo hồng, tảo lục và tảo kim.
Cấu tạo tế bào tảo gồm: thành tế bào, tế bào chất, nhân, điểm mắt, tiêm mao.
Tảo có 3 hình thức sinh sản: sinh sản dinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu
tính. Các yếu tố ảnh hưởng đến trao đ i chất và sinh trưởng của tảo là: cường độ
ánh sáng, nhiệt độ, cơ chất, pH, khả năng sục khí CO2,…
c i m sinh học c a t o Chlorella

1.2.2

1.2.2.1. Đặc điểm và phân loại

Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta.
Chlorella có dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10 μm và không có tiêm
mao[5].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
carbon dioxide, nước, ánh sáng mặt trời, và một lượng nhỏ các khoáng chất để tái
sản xuất.

21


Chlorella là dạng sống đầu tiên có nhân thật được phát hiện cách đây 2,5 tỷ
năm. Chlorella là loài vi tảo sống trong cả môi trường nước mặn và nước ngọt. Có 1
số loài Cholorella tạp dưỡng có thể sử dụng cả nguồn cacbon vô cơ (CO2) và
cacbon hữu cơ để t ng hợp sinh khối, ví dụ như Chlorella pyrenoidosa trong
nghiên cứu của Wang[25].
Hiện nay số lượng 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 n i bật như:
Chlorella vulgaris, Chlorella kesleri, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella luteoviridis,
Chlorella saccharophila, Chlorella protothecoides, Chlorella ellipsoidea, Chlorella
mucosa, Chlorella homosphaera,…
1.2.2.2. Hình thái, cấu trúc

Hình 1.1. T o Chlorella vulgaris[5]
Chlorella là sinh vật đơn bào. Tế bào thường có hình dạng: tròn, elip, ovan..
Đường kính của tảo là: 2 – 10 µm, các loài tảo khác nhau sẽ có đường kính tế bào
khác nhau, nhưng không vượt quá 15 µm. Đường kính tế bào của tảo phụ thuộc vào
điều kiện sinh trưởng và giai đoạn phát triển của tảo.
Cấu trúc tế bào bao gồm: Thành tế bào, tế bào chất, lục lạp và nhân vì vậy cấu
tạo và sinh l của tảo chứa đặc điểm tế bào. Ngoài các thành phần dinh dưỡng như:
protein, lipid, glucid, vitamin, tảo còn chứ chất diệp lục. Chất diệp lục đóng vai trò

t ng hợp các chất hữu cơ cần thiết. Chlorella không có cơ quan hô hấp độc lập,
lượng oxy cần thiết thấm qua toàn bộ bề mặt của màng vào trong tế bào.
22