Mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử lý nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo chlorella vulgaris

HỌC VIÊN NÔNG NGHIÊP VIÊT NAM

TRẦN MINH HOÀNG

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

Chuyên ngành:

Khoa hoc môi trương

Mã số:

60.44.03.01

Ngươi hướng dẫn khoa hoc:

TS. Đỗ Thủy Nguyên

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016


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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám
ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2016
Tác giả luận văn

Trần Minh Hoàng

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè,
đồng nghiệp và gia đình.
Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết
ơn sâu sắc TS. Đỗ Thủy Nguyên đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian
và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ
môn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận
tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Trịnh Quang Huy, cô ThS.Nguyễn Thị Thu
Hà, tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Bộ môn Công nghệ Môi trường và các bạn sinh
viên khóa 56, 57 nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bộ môn đã giúp đỡ cho tôi trong suốt
quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./.
Hà Nội, ngày
tháng

năm 2016
Tác giả luận văn

Trần Minh Hoàng

ii


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

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

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

2.2. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HRAPS TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI........
2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG
HRAPS.......................................................................................................
2.3.1. Các thông số kỹ thuật vận hành.............................................................................
2.3.2. Các thông số môi trường và dinh dưỡng...............................................................

2.4. MÔ HÌNH SINH THÁI VÀ CÁC DẠNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT
CHO ĐỐI TƯỢNG TẢO...........................................................................
2.4.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình sinh thái và ứng dụng của nó....................................
2.4.2 Tổng hợp mô hình lý thuyết mô phỏng sự phát triển của tảo.................................
PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. . .29

3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHİÊN CỨU.......................................................................

iii


3.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU............................................................................
3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.........................................................................
3.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................
3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp....................................................................
3.4.2. Phương pháp xây dựng mô hình............................................................................
3.4.3. Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm...........................................................
3.4.4. Phương pháp thiết kế và vận hành hệ thống HRAPs.............................................
3.4.5. Phương pháp phân tích..........................................................................................
3.4.6. Phương pháp đánh giá kết quả...............................................................................
3.4.7. Phương pháp kiểm định.........................................................................................
3.4.8. Phương pháp xác định độ nhạy của thông số........................................................
3.4.9. Phương pháp xử lý số liệu và trình bày kết quả....................................................

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

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

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

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

iv


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

5.1. KẾT LUẬN..................................................................................................
5.2. KIẾN NGHỊ.................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................70

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
ANOVA
BOD
BTNMT.
COD
DO
EC
Eh
HRAPs
+

NH4
NO3PO43QCVN
RO
TCCP
TCVN
TN
TP
TSS
UF
XLNT

:
:
:
:
:
:
:
:

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

:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:

:

(High rate algal ponds)
Amoni
Nitrat
Photphat
Quy chuẩn Việt Nam
công nghệ lọc thẩm thấu ngược
Tiêu chuẩn cho phép
Tiêu chuẩn Việt Nam
Tổng Nitơ
Tổng Photpho
Chất rắn lơ lửng
Công nghệ lọc Ultra
Xử lý nước thải

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của tảo Chlorella (% trọng lượng
khô)....................................................................................................4
Bảng 2.2. Tổng hợp khả năng loại bỏ N,P của tảo trong các môi
trường khác nhau.............................................................................12
Bảng 3.1 Thành phần môi trường nhân tạo BBM...........................31
Bảng 3.2 Tính chất nước sử dụng trong thí nghiệm 1.....................32
Bảng 4.1. Tính chất nước thải nghiên cứu.......................................39
Bảng 4.2. Hiệu quả xử lý dinh dưỡng trong nước thải bằng tảo
C.vulgaris........................................................................................41
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ dinh dưỡng N:P trong

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

vii


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

cứu...........................................................................................46
Hình 4.7. Diễn biến các thông số dinh dưỡng trong thời gian
thí nghiệm ánh sáng tự nhiên...................................................47
Hình 4.8. Diễn biến mật độ tảo trong hệ thống HRAPs có
nguồn cung cấp ánh sáng khác nhau.......................................49
Hình 4.9. Diễn biến các thông số dinh dưỡng trong thời gian
thí nghiệm ánh sáng nhân tạo..................................................50
Hình 4.10. Mô hình lý thuyết cho quá trình sinh trưởng của tảo
.................................................................................................51
Hình 4.11. Kết quả sinh trưởng mô phỏng bằng mô hình.......65
Hình 4.12. Diễn biến nồng độ N mô phỏng bằng mô hình.....65
Hình P3.1. Bố trí thí nghiệm hệ thống HRAPs với ánh sáng tự
nhiên........................................................................................78

viii


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Tên tác giả: Trần Minh Hoàng
Tên Luận văn: Mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử lý nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo
Chlorella vulgaris.
Ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60.44.03.01

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam
Mục đích nghiên cứu:
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống xử lý nước thải HRAPs quy mô pilot;
- Lựa chọn mô hình toán mô phỏng quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo trong
hệ thống HRAPs và kiểm định độ chính xác của mô hình.

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

ix


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

lại, trong điều kiện ánh sáng nhân tạo, kết quả mô hình đã đưa ra được đường cong sinh
trưởng theo các giai đoạn khớp với kết quả đo thực nghiệm, hiệu quả loại bỏ N cũng được
phản ánh tương đối chính xác.

x


THESIS ABSTRACT
Master candidate: Tran Minh Hoang
Thesis title: Modeling treatment system for sewage with eutrophication by Chlorella
vulgaris
Major: Environmental Science

Code: 60.44.03.01

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)
Research Objectives
- Design and construct the experimental pilot of wastewater treatment system
HRAPs;
- Construct and pptimize the mathematical model to simulate the growth of algae
and examine the accuracy of the model.
Materials and Melthods
- Survey methodology;
- Sampling methodology;
- Modeling methodology;
- Chemical analysis methodology;
- Data analysis methodology.
Main findings and conclusions
The main purpose of this research is to apply the mathematical model to simulate
the growing capability/capacity of algae in HRAPs system. This research consists of 2

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

xi


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

xii


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

là một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn tới suy giảm chất lượng nước do
đưa vào trong nước một lượng lớn chất rắn lơ lửng (TSS), chất hữu cơ, dầu mỡ
động thực vật và chất hoạt động bề mặt dẫn tới gây suy giảm oxy hòa tan (DO),
tăng dinh dưỡng N và P trong nước, tăng vi sinh vật gây bệnh, và dẫn tới quá trình
phú dưỡng nguồn nước.
Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) đã được sử dụng từ lâu trong lĩnh
vực thực phẩm và thức ăn chăn nuôi và sản xuất nhiên liệu sinh học. Gần đây tại
một số nước phát triển, công nghệ này đã và đang được sử dụng cho mục đích xử lý
nước thải. Nguyên lý của công nghệ dựa việc kéo dài pha quang hợp và rút ngắn
pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăng sinh khối. Việc phát triển sinh khối của tảo
đồng nghĩa với việc loại bỏ các thành phần ô nhiễm (Nitơ và Phốtpho) có trong
nước thải. Nhiều đánh giá cho thấy đây là giải pháp xử lý hiệu quả với chí phí thấp
và phù hợp với nước thải giàu hữu cơ (Erik Gronlund, 2010; Ignacio de Godos,
2009). Tuy nhiên, những nghiên cứu ứng dụng mô hình này trong xử lý nước thải ở
nước ta còn nhiều hạn chế.
Công trình xử lý nước thải bằng nuôi tảo hiệu suất cao gồm kênh dẫn nước
thải được thiết kế theo dạng đường đua (race way). Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu
suất xử lý của HRAPs bao gồm: thông số kỹ thuật của bể (tỉ lệ chiều dài/ chiều
rộng, độ sâu bể, tốc độ cánh khuấy) – yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hòa trộn và
phân tầng ánh sáng; thông số môi trường (pH, nhiệt độ, DO, ánh sáng) và yếu tố
dinh dưỡng (nito, photpho, cacbon) – yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển
của tảo. Để đảm bảo quá trình hòa trộn hoàn toàn và phân bố đều về ánh sáng, các
thông số kĩ thuật của bể đã được nghiên cứu và đề xuất thành quy trình chuẩn bởi các
tác giả H. Hadiyanto và Tom Van Gerven (2012). Do vậy để nâng cao hiệu quả xử lý
của hệ thốngcác yếu tố cần quan tâm kiểm soát là thông số môi trường và dinh dưỡng.
Việc kiểm soát các yếu tố môi trường và dinh dưỡng không đơn giản bởi bản
chất phức tạp của quá trình sinh học. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của khoa học máy

1

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

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

2


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

Đặc điểm phân loại
Giới: Plantae
Ngành: Chlorophyta

Lớp: Chlorophyceae
Bộ: Chlorococales
Họ: Chlorellaceae
Giống: Chlorella
(Nguồn: Bold and Wynne, 1978)
Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta. Chlorella
có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp Chlorophyll -a và Chlorophyll -b trong lục lạp.
Vì vậy Chlorella có khả năng quang hợp, lấy Carbon Dioxid, nước và lượng nhỏ chất
khoáng, biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để nó
sinh trưởng và phát triển nhanh chóng.
- Hình thái, cấu tạo
Chlorella là loại tảo đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng di động
chủ động. Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình ovan. Kích cỡ tế bào từ 2 – 5 µm tùy
loài. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng chịu được những tác động
cơ học nhẹ. Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, thành
phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và chất lượng
của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ, 1995).

Hình 2.1. Tảo Chlorella

3


Các nhà nghiên cứu đã xác minh trong Chlorella vulgaris có chứa rất nhiều
chất dinh dưỡng. Thành phần hóa học của tảo Chlorella tùy thuộc theo tốc độ sử
dụng môi trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển (Bảng 2.1).
Tế bào tảo Chlorella có chứa 23 amino acid trong đó có các amio acid
không thay thế như lysine, methionine, tryptophan, arginic, leucine…
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của tảo Chlorella (% trọng lượng khô)
Thành phần

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

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

6,0%
10,34%
18,0 mg/g
0,3-0,6 mg/g
6,0 mg/g
2,3 mg/100g
3,5 mg/g
7-9 mg/g
302 mg/g
145 mg/g
Nguồn: Bezborodov và cs.,(1994)

- Sinh sản

Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn trong những điều kiện sống tối ưu
như nhiều ánh sáng, nước trong, không khí sạch. Quá trình sinh sản nói chung được
trải qua các bước: Sinh trưởng - trưởng thành - thành thục - phân chia (Trần Đình
Toại và Châu Văn Minh, 2005). Tảo Chlorella sinh sản rất nhanh, trong ba giờ có
khả năng tăng gấp đôi mật độ và không có sự sinh sản hữu tính. Quá trình sinh sản
được tiến hành nhờ tạo nên trong cơ thể mẹ các tự bào tử. Tùy theo loài tảo và điều
kiện môi trường mà số lượng các tự bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trường
hợp tạo ra 64 tự bào tử). Sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ
bằng cách xé màng tế bào mẹ, ra môi trường dinh dưỡng trở thành những tế bào con có
khả năng hấp phụ chất dinh dưỡng mạnh, quang hợp và sinh trưởng tăng. Những tế bào
4


con mới hình thành sẽ hoàn thành vòng phát triển sau 4-6 tiếng đến giai đoạn chín, có
khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995).
- Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo

Tamiya, (1963) trong nghiên cứu về vòng đời của tảo Chlorella đã chia vòng
đời của tảo làm 4 giai đoạn:
Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này các bào tử sẽ tăng nhanh về kích
thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp.
Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị quá trình phân chia.
Giai đoạn chín mùi: Tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong
bóng tối.
Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng thích
ra ngoài.

Hình 2.2. Đường cong sinh trưởng của tảo
Theo Trần Thị Thanh Hiền và cs. (2003), với chế độ dinh dưỡng thích hợp và
điều kiện lý học thuận lợi, quá trinh sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau:
Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào tảo gia tăng kích
thước nhưng ko có sự phân chia.
Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục tuỳ thuộc vào kích
thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ…
Pha tăng trưởng chậm: Sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đổi của
một yếu tố nào đó.
Pha quân bình: do cạn kiệt dinh dưỡng, tảo bị suy tàn.
2.1.2. Ứng dụng tảo trong xử lý nước thải
a. Các nghiên cứu ứng dụng tảo trong xử lý nước thải
5


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

(blue green algae). (Lê Văn Cát, 2007). Trong những năm gần đây, tảo là mối quan
tâm của các nhà khoa học ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xử lý nước
thải.Ứng dung tảo, đặc biệt là vi tảo đang trở thành một công nghệ tiềm năng và
triển vọng bởi khả năng sử dụng hiệu quả chất dinh dưỡng N, P hòa tan cho sự tăng
trưởng, loại bỏ kim loại, chất hữu cơ.
Vi tảo có khả năng quang hợp tốt, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành
năng lượng hữu ích và sử dụng các chất dinh dưỡng như Nito và Photpho thường
gây hiện tượng phú dưỡng để tạo thành sinh khối có ích. Trong quá trình sinh
trưởng và phát triển, tảo sử dụng nguồn C, N, P trong nước để tổng hợp sinh khối và
các chất cần thiết cho cơ thể chúng (Kumar et al., 2010), do vậy sự phát triển của
tảo sẽ giúp loại bỏ các chất nhiễm bẩn (dinh dưỡng, chất hữu cơ) trong nước thải.
Việc sử dụng tảo trong xử lý nước thải đã có lịch sử khoảng 75 năm với hai
dòng chính là Chlorella và Dunaliella.Ý tưởng sơ khai này được phát triển đầu tiên
ở các nước như Úc, Mỹ, Thái Lan, Mexico, nơi đã có những hiểu biết tiên tiến hơn
về sinh học và sinh thái học ở thời điểm bấy giờ, đặc biệt là các nước này có kinh
nghiệm về hệ thống nhân nuôi và tận thu sinh khối tảo đảm bảo việc thiết kế, vận
hành nuôi tảo hiệu suất cao và sản xuất ra sản phẩm giá trị cao. Oswald và Gotass
(1957), Palmer (1974) sau đó đã đưa ý tưởng này vào hệ thống xử lý sinh học như
ao ổn định chất thải và được thử nghiệm tại nhiều quốc gia.Từ tiền đề của nghiên
cứu trên của 3 tác giả trên, các nghiên cứu ứng dụng của tảo được thảo luận sâu
rộng hơn, phát triển thay thế hế thống xử lý thứ cấp hóa học bởi nhiều ưu điểm vượt
trội giảm chi chi phí hoạt động và thân thiện hơn với môi trường. Hơn nữa, ưu điểm
của hệ thống này không chỉ có khả năng sử dụng N, P cho sự sinh trưởng, mà
cònloại bỏ độc chất, kim loại nặng như chì, canxi, thủy ngân, thiếc, asen, brom, quá
trình quang hợp của tảo còn sản sinh oxy, tăng pH, loại bỏ coliform.
Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo và loại trừ dinh dưỡng
không chỉ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố dinh dưỡng hiện có, mà còn phụ thuộc vào
các yếu tố phức tạp như pH (Azov and Shelef, 1987), cường độ ánh sáng, nhiệt độ
(Talbot and De la Noue, 1993) và các nhân tố sống khác. Nhân tố đâù tiên ảnh
hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng của tảo là cường độ ban đầu, nó được kỳ vọng là

6


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

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

Nghiên cứu của Colak and Kaya (1988) báo cáo khả năng loại bỏ N (50.2%) và P
(85.7%) trong nước thải công nghiệp và loại bỏ 97.8% trong nước thải đô thị khi sử
dụng tảo.
Watanabe and Hall (1996) cho thấy rằng dưới điều kiện phù hợp, tảo lam có
thể sinh trưởng với tỷ lệ cao hơn thực vât khác, vậy nên hiệu quả xử lý N,P cao hơn
các loài thực vật khác. Garbisu et al. (1994) đã chứng mình rằng sử dụng tảo lam ưu
nhiệt trong nước thải có nhiều ưu điểm hơn, vì đây là loài phù hợp với nhiệt độ cao
và xử lý nhiệt độ cao (45 độ) sử dụng kết hợp bể quang sinh học. Sau khi tảo lam

7


lấy dinh dưỡng trong nguồn thải, nước sạch có thể được chắt lọc và tảo lam có thể
thu hoạch một cách dễ dàng (Talbot et al., 1990; Proulx et al., 1994). Sử dụng tận
thu sinh khối bao gồm cả việc triết tách sắc tố có giá trị thương mại. Kết quả các
nghiên cứu ứng dụng tảo trong xử lý nước thải của các tác giả nước ngoài được
tổng hợp và trình bày trong Bảng 2.2.
- Loại bỏ kim loại nặng từ nước thải

Nước thải đô thi hiện này chứa nồng độ kim loại nặng và độc chất ở mức
cao, mặc dù nồng độ kim loại nặng trong hệ thống thoát nước không đạt đến
ngưỡng như nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến kim loại
nặng nhưng nó cũng gây ra nhiều mối quan tâm đối với xã hội. Từ đó, hệ thống xử
lý nước thải được cải tiến, giúp loại bỏ độc chất trong nước thải.
Vi tảo đã sớm được biết tới để xử lý kim loại nặng (Rai et al., 1981) thông
qua hấp thu kim loại nặng như một kiểu tích lũy sinh học. Nhiều tác giả đã kết luận
rằng việc dùng tảo tách kim loại trong nước thải, là biện pháp kinh tế để loại bỏ kim
loại khỏi nước thải, làm tăng chất lượng nước thải có thể tái sử dụng (Filip et al.,
1979; Shaaban et al., 2004; Kiran et al., 2007; Nasreen et al., 2008; Bhat et al.,
2008; Pandi et al., 2009). Một ưu điểm khác của tảo chính là khả năng sinh trưởng

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


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

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

quan tâm trong nước thải bao gồm các vi khuẩn như Salmonella và Shigella và
động vật nguyên sinh. Vi khuẩn chiếm lượng lớn trong tổng số vi sinh vật được xử
lý bằng con đường sinh học với số lượng khoảng 10 6 vi khuẩn/ml trong nước thải
thông thường. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng vi khuẩn gây bệnh thì có
thời gian sống trong môi trường ngắn hơn coliform, trong đó virus thì sống dài hơn.
Hiệu quả của việc khử trùng nước thải được ước tính bằng việc loại bỏ tổng
coliform. Trên khía cạnh này, ao ổn định chất thải và ao ổn định chất thải hiệu suất
cao là hai hệ thống có sự góp mặt của tảo, được biết tới là hiệu quả hơn so với hệ
thống xử lý thông thường (Parhad and Rao, 1976; Shelef et al., 1977).
Theo như báo cáo của Malina và Yousef năm 1964, tổng loại bỏ coliform
được ghi nhận tại ao ổn định chất thải giảm khoảng 88.8% trong 11.4 ngày.; tương
tự Meron et al. (1965) chỉ ra hiệu quả giảm khoảng 99.6%. Trong ao hiệu suất cao,
Shelef et al. (1977) báo cáo hiệu quả loại bỏ khoảng 99% tổng coliform. Nghiên
cứu tương tự với hiệu quả loại bỏ coliform và Salmonella được tiến hành bởi Pichai
Govindan (1980) và Colak and Kaya (1988).
- Loại bỏ COD và BOD

Như đã đề cập trước đây, ô nhiễm nước thải từ ba nguồn chính: chất hữu cơ,
vô cơ, vi sinh vật. Hợp chất hữu cơ trong nước thải dưới dạng nhiều hợp chất, với
công thức hóa học có ít nhất có một nguyên tử Cacbon. Những nguyên tử Cacbon bị
oxy hóa bằng cả sinh học và hóa học để giải phóng CO2. Nếu oxy hóa bằng con
đường sinh học, điều này được kiểm tra bằng thông số BOD, trong khi đó oxy hóa
bằng con đường hóa học sẽ được kiểm tra bằng thông số COD. Trong những nghiên
cứu khác, BOD nghiên cứu khả năng oxy hóa các vật chất hữu cơ thành CO 2 của các

9


loại vi sinh vật và nước sử dụng phân tử Oxy như một tác nhân oxy hóa. Do đó,
BOD là thước đo nhu cầu hô hấp của vi khuẩn, trao đổi chất với chất hữu cơ trong

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

tiêu sản xuất biodiesel.

10


11


Bảng 2.2. Tổng hợp khả năng loại bỏ N,P của tảo trong các môi trường khác nhau

Giống tảo

Chlorella sp
C. kessleri
C. pyrenoidosa
C. sorokiniana
C. vulgaris
C. vulgaris
C. vulgaris
C. reinhardtii
Scenedesmus
S. dimorphus
S. obliquus

Loại môi
trường/nước thải
Digested manure
Môi trường nhân tạo
Công nghiệp
Sinh hoạt

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

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

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

5–9
2 – 10
10 - 30
0.2 - 4.5
9
0.2 – 8

Nitơ tổng số
Nồng độ
Hiệu quả
đầu vào
loại bỏ
(mg/l)
100 - 240
168
267

(%)
76 -83
8 - 19
87 - 89

13 - 410
3 -36
48 - 1550
129
14 - 44

23 - 100
30 - 95

55 - 88
42 - 83
30 - 100

27

79 - 100

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

13 - 14
1.4 - 1.6
30 - 100
112
20 - 55
12
47 - 98

Nguồn

Wang và cộng sự.,2010
Lee và cộng sự., 2001
Hongyang và cộng sự., 2011
Zhang et al., 2008
Aslan và cộng sự., 2006
Gonzalez và cộng sự., 1997
Ruiz-Marin và cộng sự., 2010
Martinez và cộng sự., 2010
Zhang và cộng sự., 2008
Gonzalez và cộng sự., 1997
Ruiz-Marin và cộng sự., 2010

Nguồn: Số liệu tổng hợp (2015)

12