ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH TRƯỞNG CỦA TẢO BÁM TRÊN MỘT SỐ VẬT LIỆU LỌC

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH TRƯỞNG
CỦA TẢO BÁM TRÊN MỘT SỐ VẬT LIỆU LỌC”
Người thực hiện

: Nguyễn Thị Huyền Trang

Lớp

: MTC

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: Khoa học Môi trường

Giáo viên hướng dẫn

: ThS. Nguyễn Thị Thu Hà

Hà Nội – 2016
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG


-------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH TRƯỞNG
CỦA TẢO BÁM TRÊN MỘT SỐ VẬT LIỆU LỌC”

Người thực hiện

: NguyễnThị Huyền Trang

Lớp

: MTC

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: Khoa học Môi trường

Giáo viên hướng dẫn

: ThS. Nguyễn Thị Thu Hà

Địa điểm thực tập

: Bộ môn Công nghệ Môi trường

Hà Nội – 2016

2
2


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực tập tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã
nhận được nhiều sự giúp đỡ của các tập thể, cá nhân trong và ngoài trường.
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ
Môi trường và các thầy cô Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo mọi điều kiện
giúp đỡ tôi hoàn thành quá trình thực tập tốt nghiệp.
Đặc biệt tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô ThS. Nguyễn Thị Thu Hà là
người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Trong thời gian thực tập tốt nghiệp tại bộ môn Công nghệ môi trường tôi
xin cảm ơn sựủng hộ, góp ý và giúp đỡ của thầy cô trong bộ môn, các anh chị
KTV và các bạn trên phòng thí nghiệm của bộ môn, bạnNguyễn Hồng Nhung,
Trần Thị Việt Anh, Phạm Thị Vân Anh, Nguyễn Đăng Khoa, Trần Thùy Dương đã
tạo điều kiện, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận.
Cuối cùng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những
người đã khích lệ tôi trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày20 tháng05 năm 2016
Người thực hiện

Nguyễn Thị Huyền Trang

3


MỤC LỤC

4


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa

BTNMT

Bộ Tài nguyên môi trường

COD

Nhu cầu oxy hóa học

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCCP

Tiêu chuẩn cho phép

TB

Tế bào

TDP

Tổ dân phố

TSS

Tổng chất rắn lơ lửng

5


DANH MỤC BẢNG

6


DANH MỤC HÌNH

7


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Tảo bám là thành phần chiếm ưu thế trong sinh vật bám, giữ vai trò
quan trọng trong hệ sinh thái. Tảo bám phân bố hết sức rộng rãi, từ đỉnh núi
cao đến đáy biển sâu, chúng sinh trưởng và chịu đựng được các thay đổi của
môi trường. Chúng là nguồn cacbon sơ cấp, là nguồn thức ăn cho nhiều nhóm
động vật và giúp ổn định bề mặt, ngăn cản sự xói mòn của dòng chảy. Cùng
với thực vật thủy sinh khác, khi quang hợp, tảo bám thải ra khí Oxy giúp cho
sự hô hấp của động vật thủy sinh, vi sinh vật hiếu khí hoạt động. Tảo bám có
khả năng lấy đi các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước chuyển đổi thành
các chất dinh dưỡng trong tế bào, do đó với đặc điểm của nước thải sinh hoạt
là giàu chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, giàu các chất dinh dưỡng thì việc sử
dụng tảo bám trong xử lý nước thải sinh hoạt giúp tận dụng tốt nguồn dinh
dưỡng này
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ, con người đã
đạt được những thành tựu to lớn trên mọi lĩnh vực, có rất nhiều công nghệ xử
lý nước thải như công nghệ vật lý, hóa học, sinh học, công nghệ tích hợp lý –
hóa – sinh giúp tăng cường hiệu quả xử lý, đồng thời cung cấp nhiều sự lựa
chọn trong các giải pháp cho các nhà môi trường trước các hình thức ô nhiễm
nước khác nhau. Phương pháp sinh học được quan tâm nhiều nhất và cũng
cho hiệu quả cao nhất, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sẽ không
gây ô nhiễm, tái ô nhiễm môi trường, một nhược điểm mà phương pháp hóa
học hay mắc phải. Trong đó, việc sử dụng tảo bám để xử lý nước thải là
phương pháp sinh học hiệu quả với chi phí thấp, không cần sử dụng hóa chất
và toàn bộ quy trình xử lý khá đơn giản. Cơ chế chủ yếu dựa trên khả năng
lắng, lọc, hấp phụ các chất trên vật liệu lọc và hoạt động sống của tảo bám.
88


Tuy nhiên, tuỳ vào từng loài tảo bám và tính chất vật liệu lọc khác nhau mà
tốc độ sinh trưởng của chúng sẽ khác nhau dẫn tới hiệu quả xử lý nước thải

sinh hoạt thay đổi.
Vì vậy, tôi đã lựa chọn và thực hiện đề tài “Đánh giá khả năng sinh
trưởng của tảo bám trên một số vật liệu lọc” nhằm xác định nhóm tảo bám
tiềm năng cho xử lý nước thải sinh hoạt và lựa chọn được vật liệu lọc phù hợp
với sự sinh trưởng của chúng, nâng cao hiệu quả xử lý.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Đánh giá khả năng sinh trưởng của tảo bám trên một số vật liệu lọc
khác nhau để từ đó lựa chọn được vật liệu lọc phù hợp cho sự sinh trưởng của
tảo bám ứng dụng trong xử lý nước thải.

99


Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Khái niệm cơ bản về tảo bám (Periphyton) và ứng dụng của chúng
1.1.1. Khái niệm cơ bản về tảo bám trong hệ sinh thái nước ngọt
Periphyton là một tập hợp các loài tảo và vi sinh vật sống bám trên chất nền
(tự nhiên, nhân tạo, các sinh vật khác) trong đó tảo đóng vai trò quan trọng nhất.
Chúng giúp cho sự cố định cacbon và chu kỳ dinh dưỡng trong hệ sinh thái thủy
sinh, nó là một chỉ số tuyệt vời cho những thay đổi xảy ra trong môi trường nước,
nó được sử dụng để cải thiện chất lượng nước trong hồ, làm tăng thức ăn sẵn có
trong hệ thống sản xuất thủy sản, nó có thể cung cấp các loại thức ăn đặc biệt cho
cá và ấu trùng động vật có vỏ và được sử dụng để xử lý nước thải...Những sinh
vật này có chức năng như một cộng đồng, giúp chúng có hiệu quả cao trong việc
hấp phụ và xử lý các chất dinh dưỡng
Bảng 1.1: Cấu trúc thành phần loài khu hệ tảo nội dịa Việt Nam
ST
T

Ngành Tảo

Số loài

Tỷ lệ (%)

1

Xanthophyta (Tảo Vàng)

8

0,5

2

Chrysophyta (Tảo Vàng Ánh)

13

0,84

3

Pyrophyta (Tảo Giáp)

17

1,1

4

Euglenophyta (Tảo Mắt)

214

13,9

5

Chlorophyta (Tảo Lục)

614

39,8

6

Cyanophyta (Tảo Lam)

264

17,2

7

Bacillariophyta (Tảo Silic)

409

26,5

1539

100

Tổng số

Nguồn: Nguyễn Văn Tuyên (2003)
Theo Nguyễn Văn Tuyên (1998), khu hệ tảo nước ngọt được biết đến
với 7 ngành: Xanthophyta (Tảo Vàng), Chrysophyta (Tảo Vàng Ánh),
Pyrophyta (Tảo Giáp), Euglenophyta (Tảo Mắt), Chlorophyta (Tảo Lục),

10


Cyanophyta (Tảo Lam), Bacillariophyta (Tảo Silic) gồm 13 lớp, 28 bộ, 94 họ,
251 chi và 1539 loài. Trong đó các họ có nhiều loài là:
Euglenaceae (thuộc Tảo Mắt)

200 loài

Oocystaceae (thuộc Tảo Lục)

88 loài

Scenedesmaceae (thuộc Tảo Lục)

63 loài

Desmidiaceae (thuộc Tảo Lục)

302 loài

Oscillatoriaceae (thuộc Tảo Lam)

123 loài

Naviculaceae (thuộc Tảo Silic)

185 loài

1.1.2.Đặc điểm sinh thái học của tảo bám
a. Biến động theo không gian
Khu hệ tảo nội địa Việt Nam trước hết là mang tính nhiệt đới. Tỷ lệ các loài
nhiệt đới chiếm 27%. Tỷ lệ này thấp hơn so với một số vùng nhiệt đới khác. Theo
Bourrelly (1957) thì tỷ lệ phần trăm của Pleurotaenium + Euastrum +
Desmidiaceae dạng sợi so với toàn bộ Desmidiaceae là chỉ số biến đổi gắn liền
với tính địa đới, nó cao nhất ở xích đạo và giảm dần đến các cực. Ở những vùng
nhiệt đới chỉ số đó vượt quá 20%. Ở những vùng lạnh chỉ số này giảm đi nhiều.
Tỷ lệ Staurastrum Bắc Việt Nam thấp hơn nhiều so với các vùng nhiệt đới điển
hình. Tỷ lệ Closterium Bắc Việt Nam lại vào loại cao, hai chỉ số này rất gần với
Nam Phi.Tỷ lệ Staurastrum toàn Việt Nam là 19,04%, rất gần với Myanmar là
19%. Các chỉ số khác thể hiện rõ sự gần gũi của khu hệ tảo nội địa Việt Nam với
các khu hệ Đông Nam Á khác. Ở Việt Nam có các loài liên nhiệt đới, loài cổ nhiệt
đới chỉ đặc trung cho vùng Đông Nam Á (Cosmarium pardalis Cohn; C. Regnesi
var. Minimum Bern; Closterium koernickei Bern...). Tuy nhiên khu hệ tảo nội địa
Bắc Việt Nam không phải là khu hệ nhiệt đới chuẩn. Tính nhiệt đới không điển
hình, trước hết thể hiện ở cơ cấu thành phần loài. Đối vớikhu hệ nhiệt đới điển
hình chỉ có hai nhóm yếu tố địa lý: loài toàn cầu và loài nhiệt đới.

Trong khu vực Bắc Việt Nam ngoài các loài toàn cầu và loài nhiệt đới còn
có các loài chuyển tiếp chiếm gần 2% trong khu hệ. Một số loài thường gặp:
11


Cosmarium pachydermum Lund. var. indicum Iyeng et Vim Bai; Chroococcus
splendidus Jao; Eunotia pectinalis (Kiitz.) Rbh. var. gibbulosus Venkat; Navicula
tokyoensis; Nitzschia capitellataHust. var. sinica Skv. Ngoài các loài chuyển tiếp
trong khu hệ tảo nội địa miền bắc Việt Nam còn có những loài ôn đới chiếm
khoảng hơn 3%. Một số loài thường gặp: Phacushispidulus (Eichw.) Lemm ;
Euastrum insigneHass; E.platycerum Reinsch; Closterium spetsbergense Borge;
Pinnularia borealis Ehr....Sự có mặt của các loài chuyển tiếp, các loài ôn đới đã
thể hiện tính nhiệt đới không điển hình của khu hệ. (Nguyễn Văn Tuyên, 2003)
Bảng 1.2: Tỷ lệ các yếu tố địa lý tạo thành khu hệ tảo ở Bắc Việt Nam và một
số vùng nhiệt đới khác
Phân vùng sinh thái
Tác giả

Vùng

Toàn
cầu

Nhiệt
đới

Chuyển
tiếp

Ôn đới

Frémy

A.E.F tảo Lam

44%

56%

-

-

Duvigneaud và Symoens

Congo tảo Lam

60%

40%

-

-

Serpette

Sudan tảo Lam

62%

38%

-

-

Bourrelly

Guadeloupe
Lam

77%

23%

-

-

Geitler và Ruttner

Insulinda tảo Lam

63%

37%

-

-

Tuyên

Bắc Việt Nam

67%

27%

2%

3%

tảo

Nguồn: Nguyễn Văn Tuyên (2003)
Tính chất nhiệt đới của khu hệ giảm dần từ Nam ra Bắc, không có nơi
nào có vĩ độ cao hơn lại có tính nhiệt đới rõ hơn nơi vĩ độ thấp. Một phần khu
hệ tảo nước ngọt Bắc Việt Nam mang tính chuyển tiếp, nó gần với khu hệ cận
nhiệt đới Trung Hoa. Vùng đệm là Quảng Ninh, Nam Hà, Hòa Bình, Lai
Châu, Tam Đảo. Nó vừa mang tính chất nhiệt đới, vừa mang tính cận nhiệt
đới. Một số địa điểm như Trường Sơn, Tây Nguyên, lưu vực sông Đồng Nai,
Tam Đảo, các tỉnh miền Tây thì Long An có nền đất cổ và nhiều loài cần lưu ý
hơn. Các hồ không sản xuất quanh các lăng tẩm, cung điện Huế, sông Lam,

12


sông Hương, sông Sài Gòn đều chứa các loài đặc hữu của Việt Nam. Ngay

trong các hồ nội thành như hồ Giảng Võ Hà Nội, hồ Kỳ Hòa Tp. Hồ Chí Minh
đều chứa những loài đặc hữu. Còn Sapa, Tam Đảo, Đà Lạt không phải giống
đúc như ôn đới mà vẫn còn có những yếu tố nhiệt đới núi cao đặc hữu.
Khu hệ tảo nội địa Việt Nam chịu ảnh hưởng của biển khá rõ rệt. Có
nhiều loài vừa sống được ở nước ngọt, vừa sống được ở nước lợ; nhiều loài
ưa muối chỉ thị cho Mesohalobe. Riêng trong ngành Tảo Silic đã có đến 40
loài như vậy ở Bắc Việt Nam. Ở toàn Việt Nam số này lên tới hàng trăm loài.
Nơi chịu ảnh hưởng của biển xa nhất là Hà Nội với các loài chỉ thị Nitzschia
apiculata – Mesohalobe, Nitzschia hungarica – Halophil, Mesohalobe. Từ
Phủ Lý trở xuống giáp bờ biển thì những loài ưa mặn tăng hẳn lên, thường
gặp nhiều Nitzschia obtosa; ra tới Quảng Ninh thì ảnh hưởng của biển càng
tăng lên rõ rệt, đã xuất hiện nhiều loài chỉ thị cho biển và nước lợ như:
Melosira moniliformis var. Subglobosa Grun; Melosira nummuloides –
Mesohalobe...(Nguyễn Văn Tuyên, 2003)
Sự phân bố của tảo gắn với các loại hình thủy vực và loại hình sản xuất.
Ruộng lúa là tốt nhất, đạt được trạng thái cận đỉnh (subclimax) đến 100 loài.
Nhưng trên ruộng lúa cũng có nhiều kiểu quần xã khác nhau có thể là: rất
nhiều tảo Lam cố định đạm chỉ gồm một số loài nhất định nhưng sinh khối
lớn (như ở Tiền Giang), hoặc có cả tảo Lam cố dịnh đạm và nhiều tảo khác
không cố định đạm thuộc nhiều ngành khác nhau (như ở Hậu Mỹ Bắc, Tiền
Giang), hoặc có nhiều loài nhưng không có loài cố định đạm như trên ruộng
lúa vùng Kinh Đông Củ Chi. Những ao hồ nuôi tôm cá (đúng kĩ thuật) cũng
đạt được subclimax. Các ao sen là trạng thái tốt nhất để chuyển một vùng
chua phèn, hoang hóa thành vùng sản xuất nông nghiệp. Trong ao sen có đầy
đủ các ngành, còn mang nhiều tính chất của các hệ nguyên sinh, còn tồn tại
nhiều loài đặc hữu, các loài làm thức ăn cho tôm cá và cả những loài cố định

13

đạm. Cần mở rộng nhiều ao sen như là những loại hình sản xuất ở giai đoạn
chuyển tiếp bảo vệ được da dạng sinh học và môi trường.(Nguyễn Văn Tuyên,
2003)
b.Biến động theo thời gian
Số lượng của mỗi quần thể sinh vật luôn biến đổi tùy theo các điều kiện
của môi trường sống thuận lợi ít hay nhiều cho sự tồn tại và phát triển của các
cá thể. Có 2 kiểu biến động theo thời gian chính là biến động có chu kì và
biến động không có chu kì. (Đặng Ngọc Thanh, Hồ Thanh Hải, 2007)
b1. Biến động có chu kỳ là kiểu biến động số lượng xảy ra một cách có quy
luật, liên quan tới tính chất chu kì của các quá trình sống (sinh sản, tử vong)
của thủy sinh vật và tính chất thay đổi có chu kì của các yếu tố địa lý trong tự
nhiên (nhiệt độ, ánh sáng). Biến động có chu kì được thể hiện ở hiện tượng
thấy trong thủy vực: biến động ngày đêm, biến động theo mùa và biến động
theo năm.
Biến động ngày đêm: Số lượng tảo đơn bào ở Hắc Hải (1958) lớn nhất
vào khoảng 21 giờ tối, rồi giảm dần cho tới 5 giờ sáng hôm sau lại tăng lên.
Nguyên nhân của kiểu biến động này là do tảo bị giáp xác nhỏ ăn nhiều vào
lúc nửa đêm, còn về sáng, mức độ sinh sản của tảo tăng hơn gấp bội so với
mức độ bị ăn. Các nghiên cứu tại hồ Hòa Bình cho thấy biến động số lượng
theo chu kì ngày đêm do nhu cầu cần ánh sáng mặt trời để quang hợp và phát
triển cho nên ban ngày thường có mật độ cao hơn ban đêm.
Biến động theo mùa: Đây là kiểu biến động số lượng quan trọng và
phổ biến trong các thủy vực; có ý nghĩa lớn trong việc khai thác nguồn lợi
sinh vật ở thủy vực. Biến động theo mùa có nguyên nhân sâu xa là sự biến đổi
chu kì mùa của nguồn năng lượng bức xạ mặt trời trong năm, làm biến đổi
một cách tuần hoàn chế độ ánh sáng và nhiệt độ trong thủy vực. Có thể coi
đây là yếu tố cơ bản quyết định biến động số lượng quần thể theo mùa. Ngoài
14

ra, còn những yếu tố khác như chế độ oxy, nồng độ mưới, chu chuyển nước,
nhưng các yếu tố này lại phụ thuộc vào sự biến đổi của nhiệt độ nước.
Biến động số lượng theo mùa của các quần thể cùng với biến động
thành phần loài của quần xã đã tạo nên một hình ảnh biến đổi tuần hoàn về
thành phần loài và số lượng cá thể trong thủy vực, tương tự như sự thay thế
các mùa trong thiên nhiên. Biến động số lượng sinh vật ở đại dương một mặt
phụ thuộc vào đặc tính của các quần thể, mặt khác phụ thuộc vào những biến
đổi các điều kiện môi trường nước. Số lượng cá thể của các quần thể biến đổi
phụ thuộc vào sự chiếu sáng, hàm lượng các muối dinh dưỡng trong nước,
đặc biệt là các muối dinh dưỡng có nguồn gốc Nitơ (N), Photpho (P), Silic
(Si), nhiệt độ và sự chuyển động thẳng đứng của nước và vào mức độ bị ăn.
Biến động số lượng quần thểnước ngọt nội dịa theo mùa nhìn chung
cũng theo một quy luật như ở đại dương. Ảnh hưởng của ánh sáng, nhiệt độ
vẫn rõ rệt, tuy nhiên, những mối quan hệ với muối dinh dưỡng khó nhận định
hơn ở đại dương vì rất khó xác định được chính xác các nguồn muối dinh
dưỡng cung cấp cho thủy vực, do liên hệ phức tạp của thủy vực nội địa với
môi trường vùng lưu vực và do quá trình phân hủy nhanh của chất hữu cơ
lắng đọng trong các thủy vực nông thường xuyên cung cấp muối dinh dưỡng
cho thủy vực. Sự nở rộ của tảo lam (Micocystis spp, Oscillatoria spp ) ở các
thủy vực nội địa là rất phố biến và thường xuyên.
Các yếu tố cơ bản tác động đến biến động số lượng theo mùa khí hậu
trong các thủy vực chủ yếu là nhiệt độ và chế độ thủy văn. Tuy nhiên, khác
với các vùng có vĩ độ cao, ở các nước vùng nhiệt đới vĩ độ thấp như Việt Nam
thì biến động số lượng có tính đa chu kì, có thể có nhiều đỉnh cao trong năm.
Ở đây, yếu tố nhiệt độ nếu có tác động chỉ rõ rệt với tỷ lệ số lượng trong cấu
trúc thành phần loài (sự thay thế các nhóm loài) mà thôi. Chế độ thủy văn, mà
chủ yếu là do sự phân bố lượng mưa không đồng đều trong năm có thể là yếu
tố cơ bản nhất dẫn đến đặc tính biến động số lượng theo mùa. Trong mùa mưa
15

(hơn 80% tổng lượng mưa trong năm), các loại hình thủy vực đều đầy nước
với một lượng dinh dưỡng bổ sung từ các nguồn khác nhau. Điều đó dẫn tới
sự phát triển số lượng, đặc biệt các thủy vực nước đứng như ruộng lúa, các
ao, đầm, hồ.
Biến động theo năm: Biến động số lượng theo năm phụ thuộc vào biến
đổi chu kì theo năm của nhân tố vật lý như biến đổi hoạt động của mặt trời theo
chu kì 9 – 11 năm, biến đổi của mực nước thủy vực, độ mặn theo chu kì năm.
b2. Biến động không có chu kì
Trong tự nhiên, biến động số lượng cá thể không có chu kì xảy ra do
những nguyên nhân đột xuất, phổ biến là hiện tượng ô nhiễm môi trường thủy
vực. Khi chất ô nhiễm là chất độc, có thể gây chết hàng loạt bất kì thủy sinh vật
nào có trong thủy vực. Khi là các chất hữu cơ, thủy vực bị phú dưỡng hóa, phì
hóa, hiện tượng này cũng làm giảm số lượng các loài ưa oxy, tăng số lượng các
loài thích nghi với điều kiện ít oxy. Các dạng ô nhiễm nước đặc trưng:
- Ô nhiễm bởi sự mất cân bằng trong quá trình tự nhiên có thể phân biệt
2 dạng:
+ Sự mất cân bằng trong chu trình dinh dưỡng gọi là phú dưỡng
(eutrophication), mức độ nặng hơn nữa là phì dưỡng (hypertrophication)
+ Quá trình lắng đọng axit, gây chua hóa môi tường nước tự nhiên
trong chu trình thủy văn gây ra mưa axit
- Ô nhiễm do các chất độc khác nhau bao gồm các chất hoàn toàn phi tự
nhiên do con người gây ra như sự cố tràn dầu, các hóa chất bảo vệ thực vật,
phan bón hóa học, các chất thải có kim loại nặng...
1.1.3. Ứng dụng tảo bám trong xử lý nước thải
Trong quá trình xử lý nước thải có nhiều sinh vật tham gia với các chức
năng khác nhau. Có sinh vật tham gia trực tiếp, có sinh vật tham gia gián tiếp
nhưng tất cả chúng đều hỗ trợ lẫn nhau để:

16

+ Sinh nguồn oxy sinh học để oxy hoá các chất hữu cơ
+ Tạo sức sản xuất ban đầu cho thủy vực
+ Hấp thụ kim loại năng như Pb, hấp phụ phenol (nhờ Cyanophyta)
+ Tạo chất kháng sinh kìm hãm vi khuẩn gây bệnh
+ Các sinh vật dị dưỡng và hỗn dưỡng cạnh tranh nguồn thức ăn với
các vi khuẩn
+ Ăn các vi khuẩn gây bệnh
+ Kiềm hóa môi trường diệt vi khuẩn gây bệnh
Trong sự lựa chọn các nhóm sinh vật xử lý, chú ý đầu tiên tới các sinh
vật tự dưỡng (Autotrophy) vì chúng sinh oxy. Những lúc quang hợp tốt nguồn
oxy có thể đạt 13 mg/l với độ bão hòa 150%. Trạng thái này ở các hệ tự nhiên
rất ít khi đạt tới. Sức sản xuất ban đầu của hệ có thể đạt 30 – 35 tấn/ha/năm.
Tuy nhiên để có thể kết hợp với việc nuôi tôm cá trên khu xử lí ta phải lựa
chọn các nhóm tảo vừa có khả năng sinh oxy vừa làm thức ăn tốt cho tôm cá.
Cố gắng giảm bớt nhóm dị dưỡng và hỗn dưỡng. Trong nhóm tự dưỡng thì
những loài tiết chất độc thì cũng phãi khống chế.
Khi lựa chọn đúng nhóm tảo thì hệ cũng có cả nhóm nguyên sinh động
vật (Protozoa) tham gia xử lí. Đặc biệt là nhóm giáp xác nhỏ, lớp trùng bánh
xe, lớp râu ngành, lớp chân chèo, giun ít tơ và nhiều tơ cùng tham gia xử lý.
Cuối cùng tôm cá là các sinh vật lớn tiêu thụ các chất hữu cơ của hệ. Con
người chỉ việc thu hoạch tôm cá. Khoảng 3 – 5 tấn/ha/năm, chỉ sử dụng các
thức ăn tự nhiên mà ta đã chủ động tạo ra. Một trong những nhiệm vụ quan
trọng của hệ xử lý là phải diệt được các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm bằng
con đường nước như tả, lị, thương hàn, viêm gan, viêm não,...Những cách ta
có thể diệt được những món này bao gồm: sinh kháng sinh, sinh các chất kìm
hãm để diệt vi khuẩn, siêu vi khuẩn gây bệnh. Kiềm hóa môi trường bằng quá
trình quang hợp, có thể đưa pH lên 9 hoặc cao hơn nữa để diệt vi khuẩn và
17

siêu vi khuẩn gây bệnh. Nhóm sinh vật ăn lọc cũng làm tiêu khuẩn đáng kể.
Một số kim loại nặng và các chất độc khác cũng sẽ được các tảo hấp phụ (tảo
Lam, tảo Silic). Những tảo này tham gia xử lý ở giai đoạn đầu và không sử
dụng vào thức ăn cho tôm cá, nhất là nhóm tảo Lam.
Mặt khác, một số kim loại nặng và các chất độc được tách ra ngay từ
đâu trong quá trình xử lý cơ học bằng cách cho lắng đọng và các phương pháp
hóa học bổ sung. Hệ xử lý tốt cũng chính là hệ có thể nuôi được tôm cá. Nếu
không kết hợp nuôi tôm cá thì ta có thể lấy ra thức ăn bổ sung cao cấp cho gia
cầm, gia súc hoặc người, để chế các thuốc bổ dưỡng. Trong trường hợp xấu
nhất ta có thể lấy ra một lượng đáng kể phân bón hữu cơ cao cấp
Bảng 1.3: Cấu trúc các quần xã xử lý nước thải sinh hoạt
Quần xã

Tổng số loài

Thành phần các ngành (%)
Tảo Lam

Tảo Mắt

Tảo Lục

Tảo Silic

Lộc Vượng, Nam Định
1

1

100

0

0

0

2

3

100

0

0

0

3

8

66,6

22,2

11,1

0

4

81

20,9

39,5

17,2

22,2

5

50

18,0

30,0

38,0

14,0

6

44

6,8

2,2

65,9

25,0

Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh
1

9

11,1

11,1

44,4

22,2

2

19

26,3

10,5

42,1

21,1

3

23

17,4

30,4

47,8

4,3

4

59

5,1

32,2

6,8

55,1

5

92

2,2

29,3

54,3

8,7

6

56

7,1

28,6

10,7

50,0

Nguồn: Nguyễn Văn Tuyên (2003)
Diễn thế sinh thái trong hệ xử lý nước thải là diễn thế hỗn hợp. Về thực
chất nó là diễn thế thứ sinh. Trải qua 6 giai đoạn, giống như các diễn thế thứ
18


sinh khác nó chỉ đạt đến subclimax mà thôi. Lúc đầu nước tương đối bẩn,
tổng số loài thấp. Chủ yếu là tảo Lam và nhóm flagellatae. Sau nước sạch dần

ở α và β mesosaprobe số loài tảo đạt đến cực đại (70-100 loài) đây là trạng
thái cận đỉnh. Còn trạng thái cực đỉnh (climax) ở Việt Nam có số loài 100 –
150. Như vậy ta chỉ có thể tận dụng được 2/3 tổng tiềm năng loài dự trữ. Ở
trạng thái tối ưu tất cả các ngành đều có mặt. Đó là trạng thái bẩn vừa
(Mesosaprobe)
Trong các vùng ô nhiễm của Việt Nam đã phát hiện hơn 600 loài tảo
Bảng 1.4: Cơ cấu tảo trong các thủy vực nước thải của Việt Nam
Ngành

Số loài

Tỷ lệ %

Euglenophyta (Tảo Mắt)

185

30,0

Chlorophyta (Tảo Lam)

202

32,9

Cyanophyta (Tảo Lục)

91

14,8

Bacillariophyta (Tảo Silic)

121

19,7

Các ngành khác

15

2,4

614

100

Tổng số

Nguồn: Nguyễn Văn Tuyên (2003)
Theo Nguyễn Văn Tuyên (2003) trong các thủy vực nước thải của Việt
Nsm có 4 ngành tảo lớn : Euglenophyta (Tảo Mắt), Chlorophyta (Tảo Lam),
Cyanophyta (Tảo Lục), Bacillariophyta (Tảo Silic) trong đó các họ có nhiều loài:
Euglenaceae (Tảo Mắt)

180 loài

Oocystaceae (Tảo Lục)

61 loài

Scenedesmaceae (Tảo Lục)

43 loài

Oscillatoriaceae (Tảo Lam )

52 loài

Nitzschiaceae (Tảo Silic)

34 loài

Trong các mô hình xây dựng ngoài thực địa để xử lý nước thải thu được
cơ cấu rất gần với cơ cấu chung của các vùng ô nhiễm

19


Trên toàn thế giới có khoảng 15000 loài tảo trong vùng ô nhiễm, chúng
tập trung vào 4 nhóm là: Tảo Lam, nhóm flagellatae, tảo Lục và Tảo Silic
( Palmer and Tarzwell, 1955). 15000 loài tảo trên toàn thế giới có nghĩa là
khoảng 50% tổng số loài liên quan vùng ô nhiễm tỷ lệ này cũng tương đương
ơ Việt Nam (614/1274) xấp xỉ 50%
Bảng 1.5: Cơ cấu tảo trong các mô hình xử lí nước thải thực địa ở Việt Nam
Ngành

Tỷ lệ %

Euglenophyta (Tảo Mắt)

34,4

Chlorophyta (Tảo Lam)

35,7

Cyanophyta (Tảo Lục)

11,5

Bacillariophyta (Tảo Silic)

15,4

Nguồn: Nguyễn Văn Tuyên (2003)
Bảng 1.6: Cơ cấu thành phần loài tảo nội địa và vùng nước thải Việt Nam

Ngành Tảo

Toàn Việt Nam
Số loài

Tỷ lệ %

Xanthophyta

8

0,5

Chrysophyta

13

0,84

Pyrrophyta

17

1,1

Euglenophyta

214

Chlorophyta

Vùng nước thải

Tỷ lệ các loài
có khả năng
xử lý

Số loài

Tỷ lệ %

%

13,9

185

30,0

97,3

614

39,8

202

32,9

85,8

Cyanophyta

264

17,2

91

14,8

68,0

Bacillariophyt
a

409

26,5

121

19,7

45,5

Tổng

1539

100

614

100

39,97

Nguồn: Nguyễn Văn Tuyên (2003)
Tỷ lệ tảo Mắt trong các vùng ô nhiễm của Việt Nam rất cao chứng tỏ
rằng các thủy vực ô nhiễm ở Việt Nam nhiễm phân chuồng, phân bắc rất
20

nặng. Điều này còn có nghĩa là các vi khuẩn gram âm, các bệnh đường ruột
lan truyền bằng đường nước (water burn diseases) rất phổ biến. Tất cả những
họ lớn trong tảo nước ngọt Việt Nam đều là những họ lớn và quan trọng trong
thành phần xử lý. Trừ họ lớn nhất – Họ Desmidiaceae ở Tảo Lục và họ thay
thế vào đó là hệ Nitzchiaceae ở tảo Silic
Ở vùng chịu ảnh hưởng của biển vai trò của tảo Lục và tảo Mắt giảm
hẳn đi. Vai trò của tảo Lam và đặc biệt là tảo Silic tăng lên rõ rệt. Chính vì sự
giảm cơ cấu thành phần loài mà khả năng xử lý ở vùng nước lợ giảm đi so với
vùng ngọt (chỉ còn khoảng 2/3 mà thôi)
Tỷ lệ tảo Mắt tham gia xử lý nước thải nhiều nhất 97,3% rồi đến tảo
Lam 85,8%, sau đó tảo Lục 68% và cuối cùng là tảo Silic 45,5%.
1.2. Đặc điểm của vật liệu bám và màng sinh học trong xử lý nước thải
1.2.1. Ứng dụng công nghệ lọc sinh học trong xử lý nước thải
Lọc sinh học lần đầu tiên được giới thiệu tại Anh vào năm 1893 như
một bộ lọc nhỏ giọt để xử lý nước thải và từ đó đã được sử dụng thành công
trong xử lý các loại nước khác nhau.Lọc sinh học là một công nghệ điều khiển
sự ô nhiễm mới,bao gồm sự loại bỏ vàhóa những hợp chất nhiễm bẩn nhờ vi
sinh vật.
Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật (chủ
yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật có những
loài sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo, tạo thành màng.
Màng này cừ dầy dần thêm và thực chất đây là khối vi sinh dính bám hay cố
định trên các chất mang. Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có
trongnước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng
hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán,...Như vậy, màng sinh học là
tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có
trong nước khi tiếp xúc với màng.
21

Vật liệu đệm (Đá, sỏi, chất dẻo, than...với kích thước và hình dạng khác
nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho sinh vật. Lớp màng vi sinh
phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh chia thành 2
lớp: Lớp màng nền và lớp màng bề mặt
Màng sinh học dần dần bịt các khe giữa các hạt cát, phin lọc giữ lại các
tạp chất, các thành phần sinh học có trong nước. Nó hấp phụ giữ lại các vi
khuẩn cũng như tạp chất hóa học. Nó oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước
và nước được dần dần làm sạch. Nếu lớp màng này quá dày, ta có thể dùng
nước rửa, sục nước để loại bỏ màng, hiệu quả của lọc có giảm nhưng lại dần
được hồi phục
Quá trình này thường là lọc sinh học hiếu khí, có nghĩa là các vi sinh
vật cần được cung cấp oxy cho quá trình chuyển hóa của chúng. Oxy được
cung cấp tới các màng sinh học, sục khí xảy ra một cách thụ động bởi dòng
chảy tự nhiên của không khí hoặc được cung cấp bởi máy thổi.
Hoạt động của vi sinh vật là một yếu tố quan trọng trong quá trình xử lý.
Cấu trúc của màng sinh học bảo vệ các vi sinh vật trongđiều kiện môi
trường khó khăn và vẫn giữ được sinh khối bên trong quá trình này, ngay cả
khi điều kiện không phải là tối ưu cho sự phát triển của nó. Quá trình lọc sinh
học có những ưu điểm sau (Rittmann et al, 1988): Do vi sinh vật được giữ lại
bên trong màng sinh học, lọc sinh học cho phép sự phát triển của vi sinh vật;
Chi phí hoạt động thường thấp hơn so với bùn hoạt tính.
Căn cứ vào cơ chế hoạt động của quá trình lọc sinh học, lọc sinh học
gồm có 2 loại: lọc sinh học yếm khí và lọc sinh học hiếu khí. Chúng khác
nhau về thành phần các loài vi sinh vật hoạt động ưu thế và môi trường tồn tại
của chúng.
a. Lọc sinh học yếm khí
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp lọc yếm khí thường sử
dụngxử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao, phương pháp này sử dụng

22


rất nhiều chủng vi sinh vật, các chất khí tạo thành sau quá trình xử lý là CH 4,
H2S, H2, CO2 , NH3
Việc xử lý nước thải bằng phương pháp lọc yếm khí thông qua 4 giai
đoạn: giai đoạn thủy phân (chuyển hóa protein thành các axit amin,
cacbonhydrat và các chất hữu cơ mạch dài); giai đoạn acid hóa (sử dụng vi
sinh vật lên men các chất hữu cơ hòa tan thành các acid béo dễ bay hơi,
alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới); giai
đoạn axetic hóa (sử dụng vi khuẩn axetic chuyển hóa các sản phẩm của giai
đoạn acid hóa thành axit axetic, CO2 , H2 và sinh khối mới); giai đoạn metan
hóa (chuyển hóa các sản phẩm của các giai đoạn trên thành khí metan, sinh
khối mới, CO2)
Nước thải đi từ dưới lên chảy qua lớp vật liệu lọc, các chất hữu cơ sẽ
bám lại tại vật liệu lọc có chứa vi khuẩn yếm khí và tạo thành lớp màng vi
sinh vật. Tại đây, các chất hữu cơ sẽ được hấp phụ và phân hủy.
b. Lọc sinh học hiếu khí
Quá trình lọc sinh học hiếu khi gồm 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Quá trình Oxy hoá các chất hữu cơ tạo thành CO 2 và H2O, một
phần năng lượng (NL)
CxHyOz + O2  CO2 + H2O + NL
+ Giai đoan 2: Vi sinh vật tiến hành tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + NH3 + O2Tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2
+ Giai đoạn 3: Phân huỷ nội bào
C5H7NO2 + 5O2 CO2 + H2O + NH3± NL
Các chỉ số x, y, z tùy thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxy
hóa. Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở

23

điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Phương phápxử lý nhân tạo quá trình xử lý
có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều.
1.2.2. Đặc điểm của vật liệu sử dụng trong lọc sinh học
a. Cơ chế làm sạch của vật liệu trong lọc sinh học
•

Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước
Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu đệm tiêu thụ cơ

chất như chất hữu cơ, oxi, nguyên tố vết...từ nước thải tiếp xúc với màng cho
hoạt động của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: Đầu tiên cơ chất từ
chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng sinh học
theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng sinh học diễn ra quá trình tiêu
thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Đối với
những loại cơ chất ở chất rắn dạng lơ lửng có phân tử khối lớn không thể
khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng phân tử khối nhỏ
hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ
trong màng sinh học giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao
đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình vận chuyển
được mô tả bởi công thức sau:
Chất hữu cơ + oxi + nguyên tố vết  sinh khối của vi sinh vật + sản phẩm
cuối
Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị
thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Nếu một trong những
cơ chất bị hết ở một trong những chiều sâu nào đó của màng vi sinh vật, tại
đó những phản ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra.
Các nguyên tố vết như nitơ, photpho và kim loại vi lượng nếu không có đủ
trong nước thải theo tỷ lệ phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn

trong màng sinh học.

24


•

Quá trình nitrat hóa
Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa nitơ hóa các muối amon đầu

tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat trong điều kiện thích ứng (có oxy và
nhiệt độ trên 4oC). Quá trình nitrat hóa có một ý nghĩa quan trọng trong kĩ
thuật xử lý nước thải, đặc biệt nó tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể
dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (lượng
oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó.
Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau:
2NH3 + 3O2 2NHO3 + 2H2O
2HNO3 + O2  2NHO3
(NH4)2CO3+ 3O2  2HNO2+ CO2+ 3H2O
2HNO2+ O2 2HNO3
•

Quá trình khử nitrat
Chuyển hóa nitrat thành nitrit, tạo nitơ oxit, đinitơ oxit và khí nitơ. Nitơ

được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển, các phản ứng diễn ra như sau:
NO3  NO2  NO  N2O  N2
• Quá trình loại bỏ Photpho
Cơ chế loại bỏ photpho gồm có sự hấp phụ của tảo bám, các quá trình
đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp phụ lên vật liệu lọc và các chất hữu cơ, kết

tủa.Khi lượng photpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì vật liệu
lọc phải được nạo vét và xả bỏ.
• Loại bỏ vi khuẩn và virus
Vi khuẩn và virus có trong nước thải được loại bỏ nhờ: Các quá trình
vật lý như dính kết và lắng, lọc, hấp phụ. Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường
không thuận lợi trong một thời gian dài. Các quá trình vật lý cũng dẫn đến sự

25