Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi tảo

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 16 tháng 09 năm 2013
Học viên

Chu Anh Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đoàn Thị Thái
Yên – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
Nội với sự quan tâm, tạo điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Nhân dịp này 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 huớng dẫn tôi trong suốt thời
gian học tập, nghiên cứu tại trƣờng.
Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn gia đình bố mẹ và bạn bè đã luôn ủng hộ, tạo
mọi điều kiện và động viên tôi hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 16 tháng 09 năm 2013


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ 3
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. 5
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7

I. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 7
II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. .......................................................................... 8
III. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu .................................................................... 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 9
1.1. Nƣớc thải sinh hoạt và đặc trƣng nƣớc thải sinh hoạt ...................................... 9
1.2. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng sinh học hiện nay ............. 10
1.2.1. Xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng quá trình tự nhiên. ................................. 10
1.2.2. Xử lý nƣớc thải bằng các công trình nhân tạo. ........................................ 13
1.3. Xử lý nƣớc thải bằng vi tảo. ........................................................................... 14
1.3.1. Tổng quan về vi tảo ................................................................................. 14
1.3.2. Nuôi trồng vi tảo ...................................................................................... 16
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng và phát triển của vi tảo ......... 21
1.3.3.1.Các bon. ............................................................................................. 22
1.3.3.2. pH ...................................................................................................... 22
1.3.3.3. Ánh sáng ............................................................................................ 23
1.3.3.4. Nhiệt độ ............................................................................................. 24
1.3.3.5. Chế độ khuấy trộn ............................................................................. 24
1.3.4. Xử lý nƣớc thải dùng vi tảo ..................................................................... 25
1.3.5. Chlorella vulgaris và ứng dụng trong xử lý nƣớc thải sinh hoạt. ........... 26
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 30
2.1 Địa điểm và phƣơng pháp lấy mẫu nƣớc thải sinh hoạt. ................................ 30
2.2. Chuẩn bị giống tảo nuôi trồng. ....................................................................... 31
2.3. Xác định tốc độ tăng trƣởng tảo ..................................................................... 32
2.4. Xác định nồng độ sinh khối ........................................................................... 32
1


2.5. Xác định COD ................................................................................................ 33
2.6. Xác định tổng nitơ ......................................................................................... 33
2.7. Xác định tổng phốt pho .................................................................................. 34

2.8. Xác định ảnh hƣởng của nồng độ tảo đầu vào ............................................... 35
2.9. Xác định ảnh hƣởng của cƣờng độ chiếu sáng ............................................... 35
2.10. Xác định năng suất sinh khối và hiệu quả xử lý nƣớc thải trong bể raceway35
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN............................................................... 38
3.1. Ảnh hƣởng nồng độ tảo đầu vào .................................................................... 38
3.2. Ảnh hƣởng của điều kiện chiếu sáng.............................................................. 43
3.3. Nuôi trồng trên bể raceway ............................................................................ 48
3.3.1. Khảo sát tỉ lệ nƣớc thải đầu vào và chu kỳ thay nƣớc. ............................ 48
3.3.2. Xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng vi tảo Chlorella vulgaris H6 ở chế độ bán
liên tục ................................................................................................................ 50
3.4. Đề xuất thiết kế trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng vi tảo. ......................... 55
3.4.1. Phƣơng án công nghệ xử lý nƣớc thải. .................................................... 55
3.4.2. Xác định tham số tính toán ...................................................................... 56
3.4.3. Thiết kế sơ bộ các công trình chính. ........................................................ 58
3.4.4. Yêu cầu về vận hành trạm xử lý .............................................................. 65
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 73

2


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BOD

Biochemical Oxygen Demand

Nhu cầu ôxy sinh hóa

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu ôxy hóa học

DO

Dissolved Oxygen

Ôxy hòa tan

TCXDVN

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

SS

Chất rắn lơ lửng

Suspended Solids

XLNT

Xử lý nƣớc thải

PTN

Phòng thí nghiệm

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TN

Tổng nitơ

TP

Tổng phốt pho

3


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần các chất trong nƣớc thải sinh hoạt chƣa xử lý [23] ................9
Bảng 1.2. Hàm lƣợng và năng suất sinh khối ở một số loài tảo[38] .........................28
Bảng 3.1. Tỉ lệ tảo đầu vào .......................................................................................38

Bảng 3.2. Giá trị pH theo ngày phát triển .................................................................43
Bảng 3.3. Thông số thiết kế bể raceway xử lý nƣớc thải ..........................................60
Bảng 3.4. Thống số thiết kế bể raceway nhân giống ................................................61

4


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Bể raceway nuôi trồng vi tảo quy mô công nghiệp ..................................18
Hình 1.2. Hệ thống nuôi kín lớp đơn ........................................................................19
Hình 1.3. Hệ thống nuôi kín lớp đa chiều .................................................................20
Hình 1.4. Hệ thống nuôi kín theo tấm phẳng ............................................................21
Hình 1.5. Sự phụ thuộc dạng Cacbon theo pH [15] ..................................................23
Hình 1.6. Sự cộng sinh giữa vi khuẩn và tảo trong hồ [41] ......................................25
Hình 1.7. Tốc độ tăng trƣởng của tảo (đƣờng liền),dinh dƣỡng (đƣờng gạch) [38] .27
Hình 2.1. Nơi lấy nƣớc thải sinh hoạt ....................................................................... 31
Hình 2.2. Buồng đếm hồng cầu Improved Neubauer, Đức ........................................32
Hình 2.3. Cấu tạo bể raceway ...................................................................................36
Hình 3.1. Đƣờng cong sinh trƣởng của tảo ứng với mật độ tảo giống khác nhau .... 39
Hình 3.2. Hiệu quả xử lý Nitơ ứng với các tỉ lệ nƣớc thải đầu vào khác nhau .........40
Hình 3.3. Quá trình giảm nồng độ nitơ tổng ứng với các tỉ lệ nƣớc thải đầu vào khác
nhau ...........................................................................................................................40
Hình 3.4. Hiệu quả xử lý phốt pho ứng với các tỉ lệ nƣớc thải đầu vào khác nhau ..41
Hình 3.5. Quá trình giảm nồng độ phốt pho ứng với các tỉ lệ nƣớc thải đầu vào khác
nhau ...........................................................................................................................41
Hình 3.6. Hiệu quả xử lý COD ứng với các tỉ lệ nƣớc thải đầu vào khác nhau .......42
Hình 3.7. Quá trình giảm nồng độ COD ứng với các tỉ lệ nƣớc thải đầu vào khác nhau.42
Hình 3.8. Biểu đồ phát triển tế bào ứng với các mức ánh sáng khác nhau ...............44
Hình 3.9. Hiệu quả xử lý COD ứng với các mức ánh sáng khác nhau ....................45
Hình 3.10. Quá trình giảm nồng độ COD ứng với các mức ánh sáng khác nhau .....45

Hình 3.11. Hiệu quả xử lý tổng phốt pho ứng với các mức ánh sáng khác nhau .....46
Hình 3.12. Quá trình giảm nồng độ phốt pho ứng với các mức ánh sáng khác nhau .46
5


Hình 3.13. Hiệu quả xử lý tổng nitơ ứng với các mức ánh sáng khác nhau .............47
Hình 3.14. Quá trình giảm nồng độ tổng nitơ ứng với các mức ánh sáng khác nhau ...47
Hình 3.15. Khảo sát sơ bộ tỉ lệ nƣớc thải bổ sung đầu vào lần 1 ..............................49
Hình 3.16. Khảo sát sơ bộ tỉ lệ bổ sung nƣớc thải đầu vào lần 2 ..............................49
Hình 3.17. Biểu đồ phát triển tế bào thí nghiệm bán liên tục trên bể raceway .........50
Hình 3.18. Năng suất sinh khối thu đƣợc thí nghiệm bán liên tục ............................51
Hình 3.19. Quá trình xử lý COD thí nghiệm bán liên tục .........................................51
Hình 3.20. Quá trình xử lý tổng nitơ thí nghiệm bán liên tục ...................................52
Hình 3.21. Quá trình xử lý tổng phốt pho thí nghiệm bán liên tục ...........................53
Hình 3.22. Hiệu quả xử lý nƣớc thải các chỉ tiêu COD, TN, TP ..............................54
Hình 3.23. Sơ đồ thiết kế trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng vi tảo ......................55
Hình 3.24. Sơ đồ hệ thống nhân và giữ giống...........................................................61

6


MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu về các loại tài nguyên, năng lƣợng, thực
phẩm cũng nhƣ dân số ngày càng tăng. Chúng sẽ kéo theo lƣợng chất thải của con
ngƣời ngày càng nhiều, đặc biệt là nƣớc thải. Hiện nay đã có rất nhiều phƣơng pháp
xử lý nƣớc thải sinh hoạt nhƣng phƣơng pháp nào cũng có ƣu điểm đồng thời bộc
lộ một số nhƣợc điểm nhƣ tiêu tốn năng lƣợng, gây ô nhiễm thứ cấp….
Phƣơng pháp xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng vi tảo là một trong các phƣơng
pháp sinh học xử lý nƣớc thải sinh hoạt. Xử lý nƣớc thải bằng vi tảo cho phép hạ

chi phí xử lý. Ngoài ra sinh khối tảo thu đƣợc có những lợi ích phụ trội nhƣ có thể
dùng sinh khối làm thức ăn cho gia súc, nuôi trồng thủy sản, nguyên liệu cho diesel
sinh học,vv. Tảo chuyển hóa năng lƣợng từ ánh nắng mặt trời thành năng lƣợng
trong sinh khối thông qua quá trình quang hợp và sử dụng nitơ và phốt pho có nhiều
trong nƣớc thải
Trong thành phần sinh khối tảo có thể chứa tới 50% lipid trong sinh khối khô
[59], là nguồn để sản xuất diesel sinh học hoặc thu sinh khối để sản xuất biogas
hoặc các dạng nhiên liệu khác …. Do đó có thể kết hợp việc sử dụng vi tảo để xử lý
nƣớc thải và thu sinh khối của chúng.
Hiện nay, trên thế giới đang rất quan tâm nghiên cứu xử lý nƣớc thải sinh hoạt
bằng vi tảo kết hợp thu sinh khối cho nhiều mục đích khác nhau. Do thành phần,
tính chất của nƣớc thải sinh hoạt ở mỗi nơi khác nhau, việc kiểm soát điều kiện nuôi
trồng cũng nhƣ tăng hiệu suất xử lý và thu sinh khối vẫn tiếp tục đƣợc hoàn thiện.
Vì vậy, hƣớng nghiên cứu xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng vi tảo ứng với đặc điểm
nƣớc thải của mỗi địa phƣơng khác nhau cần đƣợc tập trung nghiên cứu .

7


II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Nghiên cứu xử lý nƣớc thải bằng sinh hoạt bằng vi tảo thông qua kiểm soát
các điều kiện ảnh hƣởng nhằm tăng hiệu quả xử lý nƣớc thải trong mô hình bể
raceway trong phòng thí nghiệm. Thông qua kết quả thực nghiệm để tính toán thiết
kế một hệ thống XLNT sinh hoạt bằng vi tảo qui mô nhỏ.

III. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Vi tảo đƣợc chọn lựa là giống tảo Chlorella vulgaris
H6 đƣợc cung cấp từ kết quả nghiên cứu của TS Đoàn Thị Thái Yên. C.vulgaris H6
đã đƣợc khảo sát sơ bộ cho thấy có khả năng xử lý hiệu quả nƣớc thải và có khả
năng sống tốt trong môi trƣờng nƣớc thải.

Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng xử lý
nƣớc thải sinh hoạt bằng vi tảo trong mô hình bể hở raceway qui mô pilot 75 L. Các
yếu tố ảnh hƣởng gồm: nồng độ đầu vào của vi tảo tới sự sinh trƣởng và phát triển
của chúng; ảnh hƣởng của cƣờng độ chiếu sáng tới sự sinh trƣởng và phát triển của
vi tảo và hiệu suất xử lý nƣớc thải từ đó đề xuất phƣơng án công nghệ xử lý nƣớc
thải sinh hoạt bằng vi tảo hoàn chỉnh ở quy mô lớn hơn.

8


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc thải sinh hoạt và đặc trƣng nƣớc thải sinh hoạt
Nƣớc thải sinh hoạt là nƣớc đã đƣợc sử dụng cho các mục đích ăn uống, sinh
hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa…. của các khu dân cƣ, công trình công cộng, cơ sở
dịch vụ,… nƣớc thải sinh hoạt đƣợc hình thành trong quá trình sinh hoạt của con
ngƣời. Một số các hoạt động dịch vụ công cộng nhƣ bệnh viện, trƣờng học, nhà
ăn,… cũng tạo ra các loại nƣớc thải có thành phần và tính chất tƣơng tự nhƣ nƣớc
thải sinh hoạt.
Thành phần đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt có hàm lƣợng chất hữu cơ rất
lớn (từ 55% đến 65% tổng lƣợng chất ô nhiễm), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có
vi khuẩn gây bệnh[23] . Thành phần nƣớc thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn
cấp nƣớc, đặc điểm hệ thống thoát nƣớc, điều kiện trang thiết bị vệ sinh,… Nồng độ
các chất ô nhiễm trong nƣớc thải đƣợc thể hiện trong bảng dƣới đây:
Bảng 1.1. Thành phần các chất trong nƣớc thải sinh hoạt chƣa xử lý [23]
STT Chất ô nhiễm
1

2

Đơn vị

Tối

Trung

Tối

thiểu

bình

đa

Tổng chất rắn (TS)

mg/l

350

720

1200

Tổng chất rắn hòa tan (TDS)

mg/l

250

500

850

Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

mg/l

100

220

350

Nhu cầu oxy sinh hóa, trong

mg/l

110

220

400

5 ngày ở 200C (BOD5)
3

Tổng cacbon hữu cơ (TOC)

mg/l

80

160

290

4

Nhu cầu oxy hóa học (COD)

mg/l

250

500

1000

5

Tổng Nito

mg/l

20

40

85

6

Tổng Photpho

mg/l

4

8

15

9


STT Chất ô nhiễm

Đơn vị

Tối

Trung

Tối

thiểu

bình

đa

7

Clorua

mg/l

30

50

100

8

Sulfat

mg/l

20

30

50

9

Coliform

106-107

107-108

107-

MPN/100ml

109
10

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

µg/l

<100

100-400

>400

Nhƣ vậy, nƣớc thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cƣ có hàm lƣợng chất
hữu cơ, chất dinh dƣỡng (N,P) cao phù hợp cho xử lý bằng phƣơng pháp sinh học.
1.2. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng sinh học hiện nay
Bản chất của phƣơng pháp sinh học trong quá trình xử lý nƣớc thải sinh hoạt
là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật, vi khuẩn, thực vật… có ích
để phân hủy các hợp chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nƣớc thải. Các
quá trình xử lý sinh học chia ra làm 2 nhóm chính. Nhóm các phƣơng pháp xử lý
nƣớc thải bằng quá trình tự nhiên và nhóm các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải bằng
các công trình nhân tạo.
1.2.1. Xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng quá trình tự nhiên.

Hệ thống xử lý nƣớc thải bằng quá trình tự nhiên là phƣơng pháp sử dụng các
quá trình tự nhiên để xử lý nƣớc thải: sử dụng các ao hồ tự nhiên, bãi ngập nƣớc
….. So với các phƣơng pháp khác, các công trình này có ƣu điểm:
 Đạt đƣợc mức độ xử lý có thể chấp nhận;
 Vốn đầu tƣ thấp;
 Chi phí vận hành và bảo dƣỡng thấp;
 Yêu cầu kỹ năng vận hành không cao so với các công nghệ thông thƣờng
khác;
 Tuổi thọ dài hơn so với tuổi thọ các công nghệ xử lý có sử dụng các thiết bị
điện - cơ khí;
10


 Ít phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ công tác xây dựng, các thiết bị điện, cơ khí;
 Công nghệ/quá trình xử lý đơn giản hiệu quả xử lý ổn định và lâu dài;
 Nhu cầu bảo dƣỡng và vận hành ít;
 Có khả năng vận hành độc lập;
 Có khả năng tuần hoàn, tái sử dụng tối đa nƣớc sau xử lý và các sản phẩm
có ích từ các chất gây ô nhiễm;
 Đáp ứng đƣợc nhu cầu phục vụ đối với ngƣời dân có thu nhập thấp và trung
bình vùng ngoại thành;
Tuy nhiên chúng cũng có nhiều nhƣợc điểm:
 Ảnh hƣởng bởi điều kiện thời tiết;
 Yêu cầu về diện tích lớn hơn các phƣơng pháp khác (cùng công suất);
 Khó kiểm soát đƣợc mùi;
 Không kiểm soát đƣợc động vật và các loài côn trùng và loài gặm nhấm;
Các công trình xử lý nƣớc thải bằng các quá trình tự nhiên bao gồm:
* Bãi lọc ngập nước:
Bãi lọc ngập nƣớc có khả năng phân hủy, chuyển hóa các chất hữu cơ và các
chất khác. Với khả năng đó, bãi lọc ngập nƣớc nhân tạo đƣợc sử dụng để làm sạch

nƣớc.
* Hồ sinh học
Hệ thống hồ sinh học ổn định nƣớc thải (thƣờng gọi là hồ sinh học) là các hồ
lớn, không sâu, thƣờng là hình chữ nhật do ngƣời đào, để cho dòng nƣớc thải vào và
ra. Các hồ này đƣợc sử dụng rộng rãi ở châu Âu và Nam Mỹ, là loại công trình xử
lý nƣớc thải phù hợp với các nƣớc đang phát triển ở vùng khí hậu nóng. Các yếu tố
tự nhiên nhƣ nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời đã thúc đẩy sự phát triển nhanh của
các loại vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn và vi tảo) để xử lý các chất hữu cơ trong
nƣớc thải, đặc trƣng bằng BOD, theo cả hai cách hiếu khí và kỵ khí. Các quá trình
diễn ra trong hồ sinh học là một chu trình tự nhiên, liên tục.
11


Hiệu quả xử lý: Các hệ thống hồ có thể đạt hiệu suất xử lý theo BOD trên
90%, theo nitơ từ 70-90% và theo phôtpho là 30-50% [49].
Trong hồ sinh học, tảo đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình xử lý
nƣớc thải. Chúng cung cấp oxy cho vi khuẩn phát triển phân hủy chất hữu cơ, và
ngƣợc lại vi khuẩn cung cấp các chất vô cơ đơn giản cho tảo sinh trƣởng và phát
triển. Cơ chế xử lý nƣớc thải sinh học theo Arthur nhƣ sau [3]:
 Sức chứa của hồ cho phép hồ hấp phụ đƣợc cả độ sốc tải lƣợng hữu cơ lẫn tải
lƣợng thủy lực của nƣớc thải đầu vào;
 Lắng sơ bộ nƣớc thải, theo đó các chất lơ lửng sẽ trầm tích xuống đáy hồ;
Xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc thải bằng các vi khuẩn ôxy hóa hiếu khí
(trong điều kiện có ôxy tự do) và lên men kỵ khí (trong điều kiện không có ôxy).
Các quá trình lên men kỵ khí và ôxy hóa hiếu khí nhƣ sau:
Lên men kỵ khí gồm hai giai đoạn:
Giai đoạn thứ nhất là sự thối rữa chất hữu cơ, tại đây vi khuẩn sẽ lên men để
tạo thành sinh khối mới và hình thành các sản phẩm trung gian khác là axit hữu cơ.
Chất hữu cơ + vi khuẩn

tế bào vi khuẩn mới + hỗn hợp axit hữu cơ

Giai đoạn thứ hai là phân hủy các chất hữu cơ hình thành từ giai đoạn một nhờ
các loại vi khuẩn tạo mêtan thành khí mêtan và các sản phẩm đơn giản khác.
Hỗn hợp axit hữu cơ + vi khuẩn

tế bào vi khuẩn mới + CH4 +
CO2 + H2O + NH3, v.v...

Ôxy hóa hiếu khí có thể biểu diễn bằng các quá trình đơn giản nhƣ sau:
Chất hữu cơ + O2 + vi

vi khuẩn

tế bào vi khuẩn mới + H2O +

khuẩn

CO2 + PO43- + NH3, v.v,…

Một lƣợng lớn ôxy đƣợc cung cấp nhờ quá trình quang hợp của tảo:
CO2 + sinh khối tảo

ánh sáng

tế bào tảo mới+ O2

Hồ sinh học đƣợc sử dụng trong các công trình xử lý nƣớc thải trong bƣớc xử
lý cuối cùng. Trong đó vi tảo đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý này.
12

1.2.2. Xử lý nƣớc thải bằng các công trình nhân tạo.
* Xử lý nước thải bằng các công trình lọc sinh học.
Là các công trình sử dụng môi trƣờng để cố định các vi sinh vật, tạo điều kiện
cho chúng sinh trƣởng và phát triển. Nƣớc thải đƣợc tƣới qua lớp vật liệu chứa các
vi sinh vật này. Chúng sẽ hấp thu các chất dinh dƣỡng trong nƣớc thải để phát triển,
nhờ đó xử lý đƣợc các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải.
* Xử lý nước thải bằng bằng phương pháp bùn hoạt tính:
Sử dụng các vi sinh vật trong các bông bùn mà thành phần bao gồm: các động
vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn… Chúng có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa
tan, keo và không hòa tan.. sử dụng nó để làm thức ăn và chuyển hóa các chất này
thành các chất vô cơ đơn giản và nhờ đó nƣớc thải đƣợc xử lý.
Cả hai phƣơng pháp xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng các công trình tự nhiên và
nhân tạo đều sử dụng các vi sinh vật để phân giải các chất hữu cơ thành các chất vô
cơ đơn giản và là phƣơng pháp truyền thống đƣợc áp dụng rộng rãi hiện nay. Tuy
nhiên, chúng bộc lộ nhiều nhƣợc điểm: nếu nhƣ các công trình tự nhiên tốn nhiều
diện tích thì các công trình nhân tạo tốn năng lƣợng và nhân công vận hành sửa
chữa. Mặt khác, chúng tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp bởi bùn thải và sinh
khối của sinh vật. Do đó, cần tìm một phƣơng pháp xử lý khắc phục đƣợc những
nhƣợc điểm này.
So với các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải ở trên: xử lý nƣớc thải bằng vi tảo là
hƣớng đi mới đầy triển vọng vì:
- Đạt hiệu quả xử lý cao trong xử lý nƣớc thải sinh hoạt [18].
- Sinh khối tảo sau xử lý đƣợc tận dụng để sản xuất các thành phần khác nhƣ:
sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón nông nghiệp, thức ăn chăn nuôi…. nên
không gây ô nhiễm thứ cấp [20].
Vì vậy, xử lý nƣớc thải bằng vi tảo sẽ mang lại lợi ích lâu dài trong tƣơng lai.

13

1.3. Xử lý nƣớc thải bằng vi tảo.
1.3.1. Tổng quan về vi tảo
Vi tảo (Microalgae) là tất cả các tảo (Algae) có kích thƣớc hiển vi, muốn
quan sát chúng phải sử dụng kính hiển vi. Trong số các loài tảo trên thế giới thì vi
tảo chiếm đến khoảng 2/3 [1]. Vi tảo cũng đƣợc gọi là thực vật phù du, là những
sinh vật rất nhỏ có đƣờng kính từ 1 đến 20µm, cấu tạo đơn bào cùng với rong biển
(là loại tảo kích thƣớc lớn) [17]. Vi tảo chiếm phần lớn trong sinh khối các loài thực
vật trong nƣớc. Vi tảo rất phổ biến với số lƣợng lên tới hàng trăm loài tồn tại trong
cả môi trƣờng nƣớc ngọt và nƣớc biển. Chúng là cơ sở cũng nhƣ là mắt xích đầu
tiên trong hầu hết các chuỗi thức ăn trong nƣớc. Phần lớn vi tảo chứa diệp lục,
chúng sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lƣợng chính, hấp thụ CO2 và các
chất vô cơ để phát triển. Trong quá trình quang hợp của tảo, chúng sản sinh ra
lƣợng lớn ôxy. Xét trên quy mô toàn cầu, vi tảo đã sản xuất hơn 75% lƣợng oxy cần
thiết cho ngƣời và động vật.
Dựa trên đặc điểm cấu trúc vi tảo đƣợc phân theo các nhóm chính [65]:
Tảo lục:Với khoảng 7500 loài, chúng chiếm ƣu thế trong các loài tảo. Các
loại tảo này chứa chất diệp lục và một lƣợng lớn protein. Ngoài ra, khi môi trƣờng
bất lợi cho điều kiện sống, chúng tạo ra tinh bột và dầu đƣợc lƣu trữ bên trong tế
bào.
Tảo đỏ: Là nhóm nhỏ với 5.000 loài chủ yếu là sinh vật đa bào sống ở biển.
Tảo cát: Với hơn 100.000 loài, nhóm tảo đơn bào này sản xuất hầu hết các
sinh khối trên trái đất. Chúng cung cấp một lƣợng lớn thực phẩm cho các loài động
vật phù du trong nƣớc ngọt và nƣớc biển.
Tảo nâu: Có khoảng 1500 đến 2000 loài, chúng có cấu tạo đa bào và xuất
hiện hầu hết trên biển với số lƣợng lớn. Rong biển từ tảo nâu đƣợc dùng trong thực
phẩm từ rất lâu mà chúng ta vẫn hay sử dụng.
Tảo vàng: Là nhóm với 1000 loài tảo đơn bào tồn tại chủ yếu trong nƣớc
ngọt và một số ít loài trên biển đã đƣợc biết đến. Chúng có roi và di chuyển đƣợc.

14


Tảo vàng – xanh: Là họ hàng gần gũi với tảo nâu với số lƣợng 600 loài đơn
bào sống ở biển.
Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng của vi tảo:
Vi tảo đã đƣợc con ngƣời sử dụng từ ngàn năm nay nhƣ tảo xanh
Arthrospira (Spirulina) và các loài Aphanizomenon đƣợc sử dụng là nguồn thực
phẩm cung cấp cho con ngƣời [29]. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ dừng ở việc khai
thác tảo có sẵn trong tự nhiên còn việc nuôi trồng vi tảo mới chỉ mới đƣợc vài thập
niên trở lại đây [16].
Trong đầu những năm 1950, sự gia tăng dân số nhanh chóng dẫn tới nguồn
cung cấp thực phẩm và protein cho con ngƣời không đủ. Do đó con ngƣời đã nghĩ
tới việc sử dụng sinh khối tảo cho mục đích này [7]. Song song với đó, vi tảo đƣợc
bắt đầu nghiên cứu và kiểm tra các hoạt tính sinh học đặc biệt là khả năng sử dụng
làm thuốc kháng sinh [13]. Những nghiên cứu tiếp theo đó về sử dụng vi tảo cho
việc lọc khí CO2 tạo O2 cho các nhà du hành vũ trụ [16]. Tiếp đó, tại Mỹ vi tảo
đƣợc nghiên cứu để xử lý nƣớc thải sinh hoạt và sử dụng sinh khối để sản xuất khí
mê tan [51]. Cuộc khủng hoảng năng lƣợng năm 1970 đã dẫn tới con ngƣời phải tìm
các nguồn năng lƣợng tái tạo thay thế và vi tảo đã đƣợc quan tâm nhƣ là hƣớng đi
mới rất quan trọng nhằm sử dụng dầu từ vi tảo làm nhiên liệu sinh học [19, 51]. Vi
tảo đƣợc sản xuất thƣơng mại bắt đầu vào năm 1960 tại Nhật Bản với giống tảo
Chlorella [8]. Đến năm 1980, có 46 nhà máy quy mô lớn ở châu Á đã sản xuất hơn
1000kg tảo (chủ yếu Chlorella) mỗi tháng. Năm 1986 Western Biotechnology và
Betatene (Whyalla, Australia) (nay là Cognis Nutrition and Health) đã sản xuất
thƣơng mại vi tảo quy mô công nghiệp….. Nhƣ vậy, trong một thời gian ngắn
khoảng 40 năm, ngành công nghiệp công nghệ sinh học vi tảo đã phát triển và đa
dạng hóa đáng kể. Ngày nay, thị trƣờng sinh khối vi tảo sản xuất khoảng 5.000 tấn
chất khô / năm và tạo ra doanh thu khoảng 1,25.109 USD/năm (sản phẩm chế biến
không bao gồm trong con số này) [50], với rất nhiều ứng dụng nhƣ: sử dụng vi tảo

để làm thực phẩm và thức ăn gia súc [29], làm thức ăn và xử lý nƣớc thải trong chăn
nuôi thủy sản [16], sử dụng làm mỹ phẩm [7]. Một số thành phần khác có trong vi
15


tảo đƣợc dùng làm thuốc nhƣ: dầu axit béo không bão hòa đƣợc thêm vào thức ăn
cho trẻ giúp ổn định trao đổi chất…..
1.3.2. Nuôi trồng vi tảo
Hệ thống canh tác và nuôi trồng đƣợc chia thành 5 loại nhƣ sau:
1. Bể hở:
Bể hở là hình thức nuôi trồng tại đó tảo đƣợc nuôi trong các bể hở không tạo
dòng chảy. Đây là hình thức nuôi trồng gần giống với các hồ sinh học trong tự
nhiên. Lợi thế của nó là chi phí thấp nhƣng nhƣợc điểm rất lớn là năng suất nuôi
trồng thấp do đó hệ thống nuôi trồng này không phổ biến.
2. Bể raceway.
Bể raceway là một dạng bể hở mà trong bể có sử dụng cánh guồng hoặc
bơm để tạo dòng chảy hƣớng dòng. CO2 từ không khí đƣợc đƣa vào trong nƣớc
thông qua các cánh guồng hoặc bơm. Đây là hệ thống nuôi trồng phổ biến nhất trên
toàn thế giới. Lợi thế của nó là chi phí thấp, đầu tƣ đơn giản. Nhƣợc điểm của
chúng rất khó kiểm soát quá trình nuôi trồng so với hệ thống khép kín bởi một
lƣợng nƣớc bị mất đi do hóa hơi và hệ thống dễ bị nhiễm các giống tảo khác, vi
khuẩn.... Do đó chỉ một số loài tảo có khả năng đề kháng tốt đƣợc nuôi trong các bể
này.
Năng suất sinh khối lý thuyết của bể raceway có thể đạt tới 50-60g/m2.ngày
[22]. Tuy nhiên trong thực tế năng suất này chỉ đạt 10-20g/m2.ngày [57]. Bể
raceway đƣợc sử dụng nuôi trồng vi tảo quy mô lớn từ năm 1950. Tới năm 1988
Owald đã bắt đầu sử dụng raceway để xử lý nƣớc thải, và đến 2003 Olguin đã đƣa
ra hiệu quả sử dụng loại bể này cho xử lý nƣớc thải và sử dụng năng lƣợng mặt trời
[45, 46]. Theo đó: bể raceway thƣờng đƣợc thiết kế chia làm 3 loại: bể nông không
khuấy trộn, bể trung bình và bể sâu. Bể nông thƣờng đƣợc thiết kế sử dụng cho

những hệ thống rất lớn từ 1ha đến 200ha với độ sâu trung bình 10 đến 20 cm [10].
Loại bể này đƣợc sử dụng nuôi các loài tảo nƣớc mặn, không khuấy trộn (không sử
dụng bơm hoặc cánh guồng). Đây là loại hình nuôi trồng đòi hỏi chi phí rất thấp
16


nhƣng lại cần diện tích rất lớn cũng nhƣ điều kiện khí hậu tối ƣu (nhiệt độ, ánh
sáng, lƣợng mƣa….) nên chỉ thích hợp với một số nơi. Bể trung bình có sử dụng các
cánh guồng có độ sâu từ 15-30cm [15]. Chúng đƣợc sử dụng cho những hệ thống sử
dụng nƣớc thải. Diện tích thích hợp với mỗi loại bể này dao động từ 0,2 đến 1,0 ha.
Loại bể này cho sinh khối tảo có chất lƣợng cao nhƣng khó kiểm soát đƣợc ô nhiễm
của nƣớc thải dẫn tới tảo phát triển không ổn định. Bể sâu đƣợc thiết kế với hệ
thống cánh guồng và sục khí. Chiều sâu thiết kế thƣờng tới 50cm với diện tích bề
mặt mỗi bể khoảng 10m2 [12]. Hiệu quả xử lý BOD của các loại bể này cao nhất lên
tới 35g/m2.ngày trong điều kiện tối ƣu [41]. Thời gian lƣu nƣớc trong bể từ 2-10
ngày tùy thuộc vào điều kiện khí hậu [53]. Trong nƣớc thải sinh hoạt, khi điều kiện
cộng sinh của tảo và vi khuẩn đƣợc tối ƣu, hiệu quả xử lý rất cao nhƣ: phốt pho
70%, tổng nitơ 87,6%, COD đạt 98%, [67].
Hệ raceway là hệ thống nuôi trồng chuyển hóa năng lƣợng hiệu quả nhất
[65]. Về mặt lý thuyết hệ có thể chuyển đổi 10% năng lƣợng từ ánh sáng mặt trời
thành năng lƣợng hóa học trong sinh khối thông qua quá trình quang hợp, phần còn
lại bị mất đi dƣới dạng nhiệt. Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế hiệu quả này còn
thấp hơn nhiều (khoảng 1,5%). Nguyên nhân do nƣớc nuôi có độ đục cao sẽ giới
hạn khả năng truyền ánh sáng. Kết quả chỉ có các tế bào tảo gần bề mặt nhận đƣợc
nhiều ánh sáng dẫn tới hiệu quả thấp.

17


Hình 1.1. Bể raceway nuôi trồng vi tảo quy mô công nghiệp

3. Hệ nuôi kín lớp đơn hoặc lớp ngang.
Đây là hệ thống nuôi khép kín trong các ống nằm ngang. Trong mỗi ống có
thể kiểm soát quá trình và năng suất dễ hơn phƣơng pháp nuôi đầu tiên. Dễ dàng
kiểm soát quy mô nuôi trồng bằng việc mở rộng chiều dài ống. Nhƣợc điểm của hệ
thống này là cƣờng độ chiếu sáng rất cao trên bề mặt ống do ánh sáng mặt trời đƣợc
chiếu theo phƣơng vuông góc với ống (cƣờng độ chiếu sáng tại bề mặt xấp xỉ với
cƣờng độ chiếu sáng của ánh sáng mặt trời). Mặt khác, cƣờng độ chiếu sáng cao tạo
hơi nƣớc và nhiệt độ cao trong ống, để hạn chế điều này phải luôn chuyển tảo liên
tục trong lòng ống, điều này làm giảm tốc độ tăng trƣởng dẫn tới năng suất thấp.
Nhƣợc điểm thứ hai là chi phí năng lƣợng cao cho hệ thống bơm tuần hoàn dung
dịch tảo trong ống. Mặt khác chi phí xây dựng cao hơn chi phí xây dựng bể
raceway. Khi quang hợp tảo sinh ra O2 tích lũy bên trong ống. Khí ôxy gây độc cho
tảo ở nồng độ cao dẫn tới năng suất sinh khối giảm. Đây là nhƣợc điểm lớn nhất của
hệ thống nuôi này.
18


Hình 1.2. Hệ thống nuôi kín lớp đơn
4. Hệ thống nuôi kín lớp đa chiều.
Hệ thống này gồm nhiều ống nuôi đƣợc đặt theo chiều dọc trên đầu của các
ống khác tạo thành hệ ống với các ống song song xếp theo chiều dọc. Kiểu này có
ƣu điểm và nhƣợc điểm nhƣ hệ nuôi kín lớp đơn. Nhƣng hệ này không bị cƣờng độ
chiếu sáng cao trên các mặt ống vì các ống đƣợc đặt lồng lên nhau, trong bóng râm
của nhau. Năng suất vì vậy cao hơn hẳn so với hệ thống nuôi kín lớp đơn.

19


Hình 1.3. Hệ thống nuôi kín lớp đa chiều
5. Hệ thống nuôi kín theo tấm phẳng.

Đây là những hệ thống nuôi đƣợc xây dựng từ hàng loạt các tấm phẳng, song
song. Các tấm nuôi này về lý thuyết là hiệu quả nhất do không tích tụ O2 độc hại
trong môi trƣờng nƣớc, và phân tán ánh sáng giúp cho cƣờng độ ánh sáng trên bề
mặt tấm nuôi không quá cao. Nhƣợc điểm của chúng tiêu tốn năng lƣợng lớn và khó
khăn trong việc việc bổ sung CO2 và dinh dƣỡng cho tảo phát triển.

20


Hình 1.4. Hệ thống nuôi kín theo tấm phẳng
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng và phát triển của vi tảo
Quá trình sinh trƣởng và phát triển của tảo phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ
ánh sáng, dinh dƣỡng, pH, nhiệt độ, các bon, nitơ, phốt pho.... Những điều kiện này
có ảnh hƣởng trực tiếp tới quá trình quang hợp của vi tảo cũng nhƣ sự phát triển của
tảo.

21


1.3.3.1.Các bon.
Vi tảo đồng hóa các bon vô cơ trong quang hợp. Năng lƣợng mặt trời đƣợc
chuyển đổi thành năng lƣợng hóa học tạo ra ôxy. Công thức cân bằng hóa học tổng
thể của quang hợp là:
6 H2O + 6 CO2 + ánh sáng  C6H12O6 + 6 O2
Các loại tảo tự dƣỡng thƣờng sử dụng các bon vô cơ đó là CO2 và HCO3- [15,
46]. Các loại tảo dị dƣỡng có thể sử dụng các bon hữu cơ, nhƣ các axit hữu cơ,
acetate, đƣờng hoặc glycerol [15, 66]. Trong khi đó một số loại tảo tạp dƣỡng có thể
sử dụng cả hai loại các bon này. Hai loại tảo tạp dƣỡng phổ biến là Chlorella màu
xanh và scenedesmus, chúng có thể chuyển từ dạng dị dƣỡng sang dạng tự dƣỡng
khi nguồn các bon thay đổi [6]. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng 25-50%

các bon đƣợc tảo sử dụng trong các ao hồ có nguồn gốc từ các bon hữu cơ [15].
1.3.3.2. pH
Các loài tảo nƣớc ngọt đều có khả năng chịu đựng pH thay đổi trong khoảng
rộng. Tuy nhiên, với các loại tảo khác nhau có thể phát triển ở các giá trị pH tối ƣu
khác nhau nhƣ: pH tối ƣu của Dunaliella sp 8,0 của Chlorella sp là 7,0 của
Synechocystis sp là 7,2 [28, 32, 35]. Bên cạnh đó, pH còn ảnh hƣởng đến sự thay
đổi các dạng tồn tại của cacbon hình 1.5:

22


Hình 1.5. Sự phụ thuộc dạng Cacbon theo pH [15]
Nhƣ vậy tại giá trị pH cao hơn 9, hầu hết các bon vô cơ ở dạng cacbonat
(CO32-) tảo không sử dụng đƣợc chúng. Tảo thƣờng sử dụng nguồn các bon ở dạng
HCO3- do đó, giá trị pH thích hợp nhất cho chúng phát triển từ 7-9 và tùy thuộc vào
từng loại tảo và môi trƣờng nuôi (vì chúng có thể sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để
thay thế).
Mặt khác pH ảnh hƣởng tới hiệu quả xử lý phốt pho và kim loại nặng. Theo
nghiên cứu của Mcgriff và Mckinney cũng nhƣ Song đã chỉ ra rằng khi pH của
dung dịch tảo khi lớn hơn 8 khả năng xử lý phốt pho vô cơ của tảo tăng cũng nhƣ
tăng quá trình lắng đọng phốt pho [39, 58]. Ngoài ra, sự tăng pH còn tạo điều kiện
cho sự tạo keo tụ sinh học, giúp tăng hiệu quả của việc tách sinh khối [34].
1.3.3.3. Ánh sáng
Tảo là thực vật tự dƣỡng do đó ánh sáng có vai trò rất quan trọng trong sự tồn
tại của chúng. Năng lƣợng ánh sáng mặt trời 90% đƣợc chuyển hóa thành nhiệt
năng và chỉ có khoảng 10% đƣợc chuyển hóa thành sinh khối của sinh vật [46].
Trong hệ thống nuôi trồng, cƣờng độ ánh sáng giảm rất nhanh theo chiều sâu kéo
theo sự giảm năng suất sinh khối của tảo [47]. Độ sâu trung bình của ao nuôi theo
khuyến cáo từ 15-20cm[9, 25], tùy vào điều kiện chiếu sáng và cƣờng độ chiếu
sáng. Trong điều kiện chiếu sáng thấp năng suất giảm rõ rệt ở độ sâu 20cm [25].

23