NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPs TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPs
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI”

Người thực hiện

: NGUYỄN THỊ MAI

Lớp

: MTD

Khóa

: K57

Chuyên ngành

: MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn

:TS. TRỊNH QUANG HUY

Hà Nội – 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM


KHOA MÔI TRƯỜNG
-------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG HRAPs
TRONG XỬ LÝ NÝỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI”
Người thực hiện

: NGUYỄN THỊ MAI

Lớp

: MTD

Khóa

: K57

Chuyên ngành

: MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn

: TS. TRỊNH QUANG HUY

Địa điểm thực tập

: BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2016

2

2
2


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận
tình và sự động viên của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè.
Nhân dịp này, tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
thầy TS. Trịnh Quang Huy, giảng viên bộ môn Công nghệ Môi trường – Học
viện Nông Nghiệp Việt Nam, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện khóa
luận cũng như tận tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho
tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn thầy đã luôn kiên nhẫn ở
bên cạnh, cổ vũ và động viên em trong suốt quá trình học tập và làm việc.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Đỗ Thủy Nguyên, cô ThS.
Nguyễn Thị Thu Hà, giảng viên bộ môn Công nghệ môi trường-khoa Môi
trường, thầy cô đã chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn toàn thể các quý thầy, cô giáo bộ môn Công
nghệ Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ
tôi trong thời gian thực tập tại bộ môn.
Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của anh Trần Minh
Hoàng, bạn Mai Đức Trung, bạn Nguyễn Xuân Quỳnh và các bạn thực tập tốt

nghiệp cùng bộ môn trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình và bạn
bè đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện khóa luận này.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016.

Sinh viên

Nguyễn Thị Mai

3

3


MỤC LỤC

4

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANOVA
BOD
BTNMT.

COD
DO
EC
Eh
HRAPs
+

NH4
NO3PO43QCVN
RO
TCCP
TCVN
TN
TP
TSS
UF

:
:
:
:
:
:
:
:

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

5


DANH MỤC BẢNG

6


DANH MỤC HÌNH

7


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước thải sinh hoạt thường chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng
vô cơ và hữu cơ. Nước thải được thải ra môi trường không qua xử lý, xử lý
không đúng quy cách và tích tụ lâu ngày trong các thủy vực tiếp nhận sẽ là
một gánh nặng to lớn với môi trường. Để đảm bảo nước thải đầu ra phù hợp
với quy chuẩn môi trường cần phải có các biện pháp xử lí phù hợp.
Nước thải sinh hoạt hiện nay được xử lý bằng hệ thống bể tự hoại. Ưu
điểm của bể là giúp loại bỏ được phần lớn chất hữu cơ, tuy nhiên hàm lượng
dinh dưỡng N, P thường tăng lên rất cao do quá trình phân hủy. Để xử lý N, P
giải pháp công nghệ sinh học thường được sử dụng. Vi tảo trong xử lý nước
thải đang được ứng dụng nhiều do nó sử dụng hệ sắc tố quang hợp để lấy
năng lượng ánh sáng, đồng thời sử dụng nguồn dinh dưỡng từ nước thải để
tổng hợp sinh khối. Liang Wang và cộng sự (2009) đã nghiên cứu sử dụng tảo
Chlorella xử lý nước thải sinh hoạt, TN và TP giảm được trong nghiên cứu
lần lượt là 76% và 65%, Liandong Zhu và cộng sự (2013) cũng nghiên cứu
với nước thải chăn nuôi cho thấy giá trị này lần lượt là 76% và 65%.

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 vào việc
kéo dài pha quang hợp và rút ngắn pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăng
sinh khối. Hệ thống HRAPs thường được thiết kế theo dạng đường đua (race
way): đường đua là kênh chứa nước thải có độ sâu tối đa 80 cm, chiều rộng
kênh tối thiểu là 120 cm, chiều dài được tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượng
nước thải (m3/ngày) và thời gian lưu nước. Nước thải đi qua hệ thống sẽ được
đảo trộn đều bởi máy khuấy. Hệ thống khuấy giúp cho sự phân bố của tảo đều
8


trên toàn bộ mặt kênh. Nhiều loài tảo đã được nghiên cứu nhằm mục đích này
như: Chlorella (Gonzale và cs., 1997), Scenedesmus (Martinez và cs., 1999),
Spirulina (Olguin và cs., 2003).Với nguồn sinh khối tảo thu được từ hệ thống,
tảo có thể sử dụng làm thức ăn thuỷ sản, phân bón và nhiên liệu sinh học. Bên
cạnh đó, việc hấp thu CO2 giúp giảm thiểu các tác động tới biến đổi khí hậu
tạo ra một chuỗi chăn nuôi phát thải cacbon thấp, phù hợp với mục tiêu chiến
lược của ngành nông nghiệp Việt Nam.Tuy vậy, các nghiên cứu về ứng dụng
HRAPs trong xử lý nước thải phù hợp với điều kiện tại Việt Nam còn rất hạn
chế.
Việc phát triển công nghệ xử lý đưa vào thực tiễn cần phải tiến hành
các thí nghiệm trong phòng để khống chế các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình
xử lý. Trong công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao, các yếu tố ảnh hưởng như ánh
sáng, nhiệt độ, hàm lượng CO2 hoà tan trong nước, và dinh dưỡng (N và
P).Đã có những nghiên cứu kiểm soát các yếu tố này để hệ thống đạt hiệu quả
xử lý tốt nhất. Tuy nhiên, từ những nghiên cứu với quy mô phòng thí nghiệm
tới phát triển công nghệ xử lý đưa vào thực tiễn cần được kiểm nghiệm.
Xuất phát từ thực tiễn đó tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

hiệu quả của hệ thống HRAPs trong xử lý nước thải sau bể tự
hoại”.Nghiên cứu nhằm đóng góp thêm giải pháp công nghệ trong lĩnh vực
xử lý nước thải chi phí thấp góp phần bảo vệ môi trường và pháp triển bền
vững.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá hiệu quả của hệ thống HRAPs xử lý nước thải sinh hoạt sau
bể tự hoại trong điều kiện thực nghiệm; đưa ra và khắc phục các yếu tố hạn
chế đến hiệu suất của hệ thống.

9


10


Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về tảo Chlorella vulgaris
1.1.1. Đặc tính sinh học của tảo Chlorella vulgaris
a. Đặc điểm phân loại
Giới: Plantae
Ngành: Chlorophyta
Lớp: Chlorophyceae
Bộ: Chlorococales
Họ: Chlorellaceae
Giống: Chlorella (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.
b. 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) .

11


Hình 1.1. Tảo Chlorella
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 1.1)
Tế bào Chlorella có chứa 23 amino acid trong đó có các amio acid
không thay thế như lysine, methionine, tryptophan, arginic, leucine…
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của 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 et al,(1994)
c. 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
12


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 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).
d. 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.

Theo Trần Thị Thanh Hiền và ctv (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.
13


Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục tuỳ thuộc vào
kích thước tế bào, cường độ ánh sang, 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.
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của Chlorella
a. Nhiệt độ
Mỗi loài tảo sẽ phát triển tốt ở một nhiệt độ nước thích hợp, ngoài
ngưỡng nhiệt độ đó tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết. Nhìn chung
nhiệt độ tốt nhất cho sự phát triển của tảo nằm trong khoảng 23 – 30 0C tùy
loài, ở 400C tế bào tảo sẽ bị tổn hại ( Richmond, 1986). Nhiệt độ tăng làm
tăng sự phát triển của tảo cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu ( Soeder ., 1981).
Tăng nhiệt độ vượt quá mức tối ưu làm giảm tổng hợp protein và do đó dẫn
đến giảm tốc độ tăng trưởng (Konopka và cộng sự., 1978). Chlorella vulgaris
tăng trưởng tối ưu ở nhiệt độ 25o C, nhưng có thể chịu đựng được nhiệt độ
370C (Liao,1983).
b. Ánh sáng
Các vi tảo sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO 2 vào các
hợp chất hữu cơ trong tế bào và sử dụng nó như nguồn năng lượng chính
trong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng. Để tảo phát triển cần một mức
độ nhất định về cường độ ánh sáng, tảo khắc phục hạn chế ánh sáng bằng
cách giảm độ bão hòa của màng lục lạp. Khi cường độ ánh sáng quá cao, vượt

mức độ bão hòa sẽ gây ra hiện tượng photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh
sáng. Điều này có thể làm bất hoạt các enzym tham gia vào quá trình cố định
CO2 (Iqbal và cộng sự., 102).
Ngoài cường độ ánh sáng, chu kỳ ánh sáng và các thành phần quang
phổ của ánh sáng cũng tác động tới sự phát triển của tảo. Trong điều kiện
cường độ ánh sáng cao, hiệu quả sử dụng ánh sáng có thể được tối ưu hóa

14


bằng cách kéo dài thời gian tối. Điều này cho phép bộ máy quang hợp trong tế
bào tảo sử dụng được hết các photon hấp thụ được và chuyển chúng thành
năng lượng hóa học, do vậy tránh được ảnh hưởng của photoinhibition. Ở
điều kiện thiếu ánh sáng trong thời gian dài chúng sẽ thích nghi bằng cách
tăng hàm lượng chlorophyll trong cơ thể. Đặc tính ánh sáng khác nhau sẽ tạo
ra chlorophyll khác nhau và cũng ảnh hưởng đến quang hợp của tảo, mặt khác
nó còn ảnh hưởng đến sinh trưởng và tỷ lệ sinh khối (Hu, 2003). Theo
Emerson và cộng sự ., (1943), ánh sáng màu xanh (456nm) và ánh sáng màu
đỏ (660nm) có hiệu quả nhất đối với sự quang hợp của tảo Chlorella vulgaris.
Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện nuôi cấy.
Nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000LUX,
với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cần cung cấp vào khoảng 5000 – 10000
LUX.
c. pH
Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nuôi cấy vi tảo là pH vì
nó quyết định khả năng hòa tan và hàm lượng sẵn có của CO 2 cũng như các
chất dinh dưỡng thiết yếu trong môi trường. Độ pH có một tác động đáng kể
tới quá trình trao đổi chất của tảo (Chen at al.,1994). Trong quá trình sinh
trưởng, tảo hấp thu cacbon vô cơ khiến cho pH tăng lên đáng kể trong suốt
quá trình nuôi (Hansen và cộng sự.,2002). Mức tăng trưởng tối ưu của tảo đạt

được trong khoảng pH trung tính (7 – 7,6), mặc dù pH tối ưu của tảo là pH
ban đầu trong môi trường nuôi cấy.
pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trong
nước. Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sự
tăng trưởng của tảo (Azov và cộng sự .,1982). Do pH cao làm tăng tính linh
hoạt của thành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hình
thành các tự bào tử, từ đó làm tăng thời gian hoàn thành của chu kỳ tế bào
15


(Guckert và cộng sự., 1990). Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit làm thay
đổi sự hấp thu chất dinh dưỡng (Gensemer và cộng sự., 1993) hoặc làm tăng
khả năng phát tán kim loại độc (Sunda và cộng sự., 1975) và do đó làm ảnh
hưởng tới sự phát triển của tảo.
d. Dinh dưỡng
Cacbon, nito và photpho là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho quá trình
phát triển của tảo (Valero, 1981). Nito và photpho là hai chất dinh dưỡng quan
trọng cho sự tăng trưởng và sự trao đổi chất của các tế bào tảo.
Nito là một yếu tố dinh dưỡng quan trọng góp phần quan trọng trong
việc sản xuất sinh khối tảo và là một thành phần quan trọng của thành phần tế
bào như axit amin, protein, amino axit… và chiếm 7 % đến 20% trọng lượng
khô của tế bào (Hu .Q ., 2004). Hầu hết các loài vi tảo có khả năng sử dụng
nhiều nguồn nito gồm có nito hữu cơ (ure, glutamin, glyxin,…) và nito vô cơ
(amoni, nitrat và nitrit). Các dạng nito vô cơ trong nước được tảo hấp thụ và
đồng hóa thành các hợp chất sinh hóa trong cơ thể và được các tế bào sử dụng để
đáp ứng các thay đổi của nhu cầu sinh lý. Tác động chủ yếu của tình trạng thiếu
nito trong môi trường nuôi tảo là việc giảm hàm lượng protein (Morris và cộng
sự. 1997) và tăng khả năng tích tụ các chất béo (Thompson và cộng sự ., 1996).
Photpho là thành phần dinh dưỡng chính đóng vai trò quan trọng trong
quá trình trao đổi chất của tế bào như chuyển giao năng lượng, sinh tổng hợp

acid nucleic, DNA cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình thường của
tảo. Photpho thường chiếm 1% trọng lượng khô của tảo (Hu . Q ., 2004). Một
số nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong môi trường tự nhiên, photpho là yếu tố giới
hạn đối với sự phát triển của tảo (Borchardt và cộng sự., 1968). Hàm lượng
photpho thấp trong môi trường cũng dẫn đến sự tích tụ các chất béo. Tổng
litpit trong tảo Scendesmus sp. tăng từ 23% lên 53 %, đồng thời với việc giảm
nồng độ photpho trong nước từ 0,1 – 2,0 mg/L ( Li và cộng sự., 2010).

16


Tỷ lệ N:P là một yếu tố quan trọng đối với việc loại bỏ N và P trong hệ
thống xử lý nước thải vì nó không chỉ xác định năng suất tiềm năng mà còn
đóng vai trò quan trọng trong việc xác định loài chiếm ưu thế trong môi
trường nuôi (Richmond A., 2004). Các tỷ lệ vô cơ N : P không giống nhau đối
với các loại nước thải khác nhau. Tỷ lệ N : P nằm trong khoảng 6,8-10 được
coi là tỷ lệ tối ưu cho tảo phát triển.Tuy nhiên ở khoảng tỉ lệ N : P tương đối
rộng từ 5:1 đến 30:1 khả năng sinh trưởng và loại bỏ dinh dưỡng của tảo khá
tốt. Khi tỉ lệ này xuống thấp đến 5:1 thì N trở thành yếu tố giới hạn còn khi tỉ
lệ này lên đến 30:1 thì P trở thành yếu tố giới hạnđến sinh trưởng và loại bỏ
dinh dưỡng của tảoHee Jeong Choi ( 2014).
Cacbon cũng là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải
được cung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo. Nó là yếu tố cần thiết cho
quá trình quang hợp và sinh sản. Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc
độ tăng trưởng của tảo. Cacbon có thể được sử dụng dưới dạng cacbonat hoặc
bicacbonat. Cacbon trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộc
vào pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng. Ở khoảng pH cao, lượng
cacbonat tăng và bicacbonat giảm (Chen và cộng sự. 1994). Ở những giá trị
pH trung bình (pH=8,2) , 90 % cacbon tồn tại dưới dạng CO 32-, chỉ có 1 % tồn
tại ở dạng CO2 phân tử và phần còn lại là bicacbonat. (Eshaq và cộng sự .,

2010). Khi hàm lượng CO2 quá cao có thể làm giảm nồng độ tương đối của
protein và các sắc tố trong tế bào nhưng làm gia tăng hàm lượng
carbohydrate. Sự thay đổi trong thành phần tế bào này làm giảm năng suất
sinh khối tối đa (Gordillo và cộng sự ., 1998).
1.2. Ứng dụng tảo Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải
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 (De
La Noue và De Pauw, 1988). Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, tảo sử
17


dụng nguồn C, N, P trong nước để tổng hợp sinh khối và các chất cần thiết
cho cơ thể chúng (Munoz and Guieysse, 2006; 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.
Palmer (1969) liệt kê các loại tảo theo thứ tự chống chịu của chúng
trong môi trường nước ô nhiễm hữu cơ theo báo cáo của 165 tác giả. Danh
sách này được biên soạn cho 60 chi và 80 loài. Tám chi có thể sinh trưởng
trong môi trường nước thải là Euglena, Oscillatoria, Chlamydomonas,
Scenedesmus, Chlorella, Nitzschia, Navicula và Stigeoclonium.Nhiều nghiên
cứu đã chứng minh sự thành công của việc nuôi cấy tảo để loại bỏ các chất
dinh dưỡng từ nước thải giàu hợp chất nito và phốt pho (Przytocki-Jusiak et
al, 1984;. Rodrigues và Oliveira, 1987). Mohamed (1994) đã chỉ ra rằng
Scenedesmus sp. rất phổ biến trong nước ngọt, và đóng một vai trò quan trọng
góp phần làm sạch nước. Như một biện pháp thay thế cho các biện pháp xử lý
thông thường, tảo được ứng dụng trong loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước thải
(Mallick, 2002). Ý tưởng này đã được đưa ra từ cách đây 55 năm tại Mỹ bởi
Oswald và Gotaas (1957), từ đó đã được thử nghiệm mạnh mẽ ở nhiều nước
(Goldman, 1979; Shelef và Soeder, 1980; De Pauw và Van Vaerenbergh, 1983).

Các loài tảo 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 nito, photpho. Tảo có thể xử lý nước thải của
con người (Shelef et al, 1980;. Mohamed, 1994; Ibraheem, 1998), chất thải
chăn nuôi (Lincoln và Hill, 1980), chất thải nông nghiệp (Zaid-Iso, 1990;. Ma
et al, 1990;. Phang, 1990, 1991) và các chất thải công nghiệp (Kaplan et al,
1988). Ngoài ra, tảo để xử lý các nước thải khác như nước thải từ các nhà
máy chế biến thực phẩm (Rodrigues và Oliveira , 1987) và các chất thải nông
nghiệp khác (Phang và Ong, 1988) đã được nghiên cứu. Hệ thống dựa vào tảo
để loại bỏ các khoáng chất độc hại như chì, cadmium, thủy ngân, scandium,
18


thiếc, asen và brôm cũng đang được phát triển (Soeder et al, 1978;. Kaplan et al,
1988;.. Gerhardt et al, 1991;. Hammouda et al, 1995; Cai-Xiaohua et al, 1995)
Nuôi cấy tảo đã cung cấp một biện pháp có hiệu quả để loại bỏ các chất
dinh dưỡng từ nước thải (Evonne & Tang ., 1997). Xử lý nước thải bằng vi
tảo là một biện pháp thân thiện với môi trường đồng thời đem lại lợi ích cả về
loại bỏ chất ô nhiễm và sản xuất sinh khối (Mulbry et l ., 2006). Các loại tảo
đã được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Chlorella (Gonzale và cs., 1997),
Scenedesmus (Martinez và cs., 1999), Spirulina (Olguin và cs., 2003). Một số
thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra sự chuyển hóa đạm (TN) và tổng
photpho (TP) ra khỏi môi trường nước thải bằng tảo Chlorella như thí nghiệm
của Gozalez(1997)(Trần Sương Ngọc, 2003).Tác giả phát hiện ra Chlorella
vulgaris và Scenedesmus dimorphusđã hấp thu 95% NH4+ và TP 50% trong
nước thải. Tảo được nuôi trong các ống hình trụ và bình tam giác, cho thấy
giai đoạn đầu Scenedesmus có hiệu quả xử lý tốt hơn trong loại bỏ dinh
dưỡng nhưng thời kỳ cuối thí nghiệm thì tương tự nhau. Sreesai and Pakpain
(2007) đã nghiên cứu khả năng loại bỏ dinh dưỡng của tảo Chlorella vulgaris
qua việc đo hàm lượng TN và TP. Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng cao nhất ở

nghiệm thức nuôi tự nhiên và lượng TN, TP được loại bỏ khỏi môi trường
nước lần lượt là 88% và 68%.
Nghiên cứu của Liang Wang và cộng sự (2009) về khả năng xử lý nước
thải sinh hoạt bởi tảo Chlorellađã co thấyhiệu quả loại bỏ tổng N và tổng P
lần lượt là 76% và 65%. Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm
lượng rất thấp do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp. Thành
phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng TN trong nước thải sinh hoạt (R.
Crites, G. Tchobanoglous. 1998 và WEF. 1998). Đối với Chlorella nguồn nito
sử dụng là muối amonium, nitrate và urea trong đó amonium cho kết quả tốt
nhất (Iriarte, 1991). Như vậy nước thải sinh hoạt rất thích hợp cho sự sinh
trưởng phát triển của tảo Chlorella. Lau và cộng sự (1996) nghiên cứu khả
19


năng của xử lý nước thải của Chlorrella vulgaris trong việc loại bỏ chất dinh
dưỡng và kết quả loại bỏ được 86 % N vô cơ và 70% P vô cơ. Theo kết quả
của Colak và Kaya (1988) tảo đã loại bỏ 97,8% Photpho trong nước thải sinh
hoạt. 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%, NO 3 giảm 76,1%, PO43- giảm 98,1%, COD giảm 72,5%).
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, tỉ lệ dinh dưỡng N : P
trong nước thải… và chỉ ra hướng ứng dụng sinh khối tảo thu được vào những
mục đích khác nhau. Hiệu quả loại bỏ TN và TP bởi Chlorella vulgaris trong
thí nghiệm của Chen Yan và cộng sự (2013) đạt 69.29 ± 5.17% và 77.24 ±
4.92%, kết quả này cao hơn so với nghiên cứu của Bhatnagar và cộng sự
(2010) khi sử dụng một dòng tảo lục khác là Chlorella minutissima để xử lý

nước thải trong điều kiện ánh sáng tự nhiên, chứng tỏ so với sử dụng ánh sáng
tự nhiên, sử dụng ánh sáng nhân tạo với bước sóng tối ưu đạt hiệu quả cao hơn.
Khi nghiên cứu hiệu qủa xử lý nước thải sinh hoạt của Chlorella vulgaris trong
các tỷ lệ N:P khác nhau, tỷ lệ N:P là 16:1 cho kết quả loại bỏ Nito cao nhất đạt
96% (Hee Jeong Choi. Cs. 2014),đây cũng là tỷ lệ gây nên hiện tượng phú
dưỡng trong các ao hồ và cũng là tỉ lệ N:P trong công thức tế bào chung của
nhiều loài tảo (Klausmeier CA, 2004). Theo Richard (2004)đây là tỉ lệ cho tảo
Chlorella sinh trưởng cực đại. Trong khoảng tỷ lệ N:P là 1:1- 20:1 hiệu quả
loại bỏ TP của tảo Chlorella vulgaris với nước thải sinh hoạt là 80% (Hee
Jeong Choi. Cs. 2014).

20


Với nước thải chăn nuôi, tảo cũng sinh trưởng, phát triển tốt. Liandong
Zhu và cộng sự (2013) đã nghiên cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nước thải
chăn nuôi cho thấy hiệu quả loại bỏ TN và TP lần lượt là 76% và 65%. Liang
Wang &Min Min (2009) cho thấy hiệu quả xử lý TN giảm 62-92%, TP giảm
70-79% khi nước thải có tỷ lệ N:P từ 4.5:1- 6:1. Võ Thị Kiều Thanh (2012)
khi nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của
tảoChlorella sp.cho thấy 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%; TN giảm
87,4-90,18%, còn TP có hiệu quả xử lý không cao chỉ đạt 47,7-56,15%.
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-đạt 95,27%, N-NH4+ đạt 43,48%
và P-PO43- đạt 88,66%).
Colak và Kaya (1988) đã báo cáo về hiệu quả loại bỏ nito (50,2%) và
photpho (85,7%) trong nước thải công nghiệp của tảo. Hiệu quả xử lý của

Chlorella vulgaris với nước thải dệt nhuộm cũng được nghiên cứu trong
đóloại bỏ màu dao động từ 41,8% đến 50,0%, giảm NH4 –N (44,4-45,1%),
PO4 –P (33,1 -33,3%) và COD (38,3 -62,3%)(Lim et al, 2010). Hala Yassin
El-Kassas (2014) đã kết luận Chlorella vulgaris nuôi trong môi trường nước
thải dệt hiệu quả xử lý COD đạt 69,9% và loại bỏ màu đạt 75,68%. Do đó
việc nuôi C. vulgaris trong nước thải dệt nhuộm chứng minh khả năng sản
xuất sinh khối, loại bỏ màu sắc và COD.Farooq ahmad (2013) tiến hành sử
dụng Chlorella vulagris trong xử lý nước thải đô thị và sản xuất dầu diesel
sinh học, kết quả phân tích các thông số được thực hiện trong các bước thí
nghiệm cho thấy một tỷ lệ phần trăm loại bỏ tối đa COD (99,9%), BOD
(100%), NO3- (99,98%), PO42- (99,96%) và tổng colifrom (100%) trong nước
thải (Farooq ahmad et al, 2013).
21


Ngoài ứng dụng trong xử lý nước thải, tảo Chlorella còn rất nhiều ứng
dụng khác trong đời sống. Việc này thích hợp để phát triển việc sử dụng tảo
xử lý môi trường đồng thời nuôi sinh khối tảo để phục vụ cho những lĩnh vực
khác. Tảo Chlorella vulgaris có khả năng tích lũy chất béo trong tế bào lên
đến 35,86% có khả năng cho dầu lên đến 45 tấn/ha/năm (Trương Vĩnh, 2009).
Thành phần acid béo của chất béo từ vi tảo C.vulgaris được nuôi cấy ở điều
kiện thích hợp phân bố từ C15 đến C20, và tập trung chủ yếu là palmitic acid
methyl ester (C16:0) và linoleic acid methyl ester (C18:2). Đây là loại chất
béo chủ yếu để tổng hợp Biodiesel (Hồ Quốc Phong và cs, 2014). Do đó, qua
nghiên cứu này cho thấy vi tảo có tiềm năng rất lớn để làm nguồn nguyên liệu
tổng hợp Biodiesel.
Trong Chlorella có chứa nhiều β-Carotene, là chất chống oxy hóa, sửa
chữa DNA hư hỏng có tác dụng ngăn ngừa và phá hủy tế bào ung thư. Ngoài
Caroten ra, còn có nhiều Vitamin C, Vitamin E và Selenium, cũng là những
chất chống oxy hóa.

Chlorella nâng cao lượng Interferon, là nhân tố tự nhiên quan trọng
bậc nhất của cơ thể, là vũ khí phòng chống ung thư, có tác dụng kích thích sự
hoạt động của tế bào Lympho-T và đại thực bào Macrophages. Từ đó tăng
cường kháng thể, không những chống lại những tế bào ung thư mà còn cả vi
khuẩn, virus, chất hóa học và protein lạ.
1.3. Ứng dụng của công nghệ HRAPs trong xử lý nước thải
Nhiều giải pháp công nghệ xử lý nước thải giàu dinh dưỡng đã được
thử nghiệm. Tại Singapore những năm gần đây đã có các công nghệ xử lí
nước thải như: Công nghệ lọc Ultra (UF), công nghệ lọc thẩm thấu ngược
(RO) hay ở Israel, nước thải công nghiệp và sinh hoạt đều được thu gom vào
các hệ thống xử lý tập trung...Các công nghệ này cho hiệu quả xử lý cao, tuy
22


nhiên chi phí đầu tư, vận hành cao, đòi hỏi xử lý tập trung, điều này dẫn tới
không khả thi trong điều kiện thực tế. Hiện nay thì giải pháp sử dụng công
nghệ sinh học trong xử lý nước thải đang được các nước quan tâm và ưu tiên
thực hiện. Công nghệ sinh học vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang lại
lợi ích cho xã hội và môi trường. Ứng dụng công nghệ sinh học như một vòng
tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý nước thải hiệu quả mà không mang lại ảnh
hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường.
Công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (High rate algal ponds -HRAPs) đã
được sử dụng từ lâu trong lĩnh vực thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuất
nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, nuôi tảo thông thường đòi hỏi cao về nguồn
nước, chất dinh dưỡng và CO2, chúng chiếm 10-30% tổng chi phí
(Borowitzka, 2005; Benemann, 2008a; Tampier, 2009; Clarens et al., 2010).
HRAPs được phát triển vào cuối những năm 1950 cho xử lý nước thải và
phục hồi tài nguyên của Oswald và đồng nghiệp (Oswald và Golueke 1960).
Nguyên lý chung của công nghệnày dựa vào việc kéo dài pha quang
hợp và rút ngắn pha hô hấp của tảo nhằm mục đích tăng sinh khối tảo, việc

phát triển sinh khối của tảo đồng nghĩa với việc loại bỏ các thành phần dinh
dưỡng (N và P) có trong nước thải.
Không giống như các hệ thống xử lý nước thải chỉ có chức năng tập
trung là xử lý nước thải, công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao (HRAPs) được thiết
kế không những cho hiệu quả xử lý tối ưu mà sản lượng sinh khối tảo cũng tối
đa. Tải trọng tiêu biểu cho HRAPs ở vùng khí hậu ôn đới trung bình 134 kg
BOD ha-1d-1 , đạt tải trọng mùa hè tối ưu 366 kg BOD ha

-1

d -1. Rất nhiều các

tài liệu khoa học hiện có cho thấy HRAPs có thể đạt được hiệu quả cao về xử
lý cho cả nước thải sinh hoạt và nông nghiệp được đánh giá bằng hiệu quả
loại bỏ BOD, TSS, nito, phốt pho và kim loại nặng (Brian H. Kiepper, 2013)

23


Hệ thống ao xử lý nước thải thông thường không được thiết kế để phục
hồi tài nguyên từ nước thải. Năng suất tảo/ vi khuẩn trung bình hàng năm
trong ao thường ít hơn 2,5 gm-2 ngày-1 (Craggs et al. 2003). Việc chiều sâu
nông của HRAPs tăng tốc độ của ánh sáng mặt trời làm kích thích vi khuẩn
và thúc đẩy quá trình oxy hóa hòa tan các chất ô nhiễm hữu cơ (Davies –
Colley 2005).
Craggs (2012) đã nghiên cứu về việc xây dựng và hoạt động của 5-ha
hệ thống HRAP xử lý nguồn nước thải chính tại nhà máy xử lý nước thải
Christchurch, New Zealand. Hệ thống này bao gồm 4 HRAPs 1,25-ha được
xây dựng. Kết quả về hiệu suất từ 15 tháng đầu tiên HRAP hoạt động (mà
không cần bổ sung CO2) đã được thể hiện. Bốn HRAPs đã cho thấy hiệu suất

nuôi sinh khối tảo/ vi khuẩn tương tự với hiệu quả xử lý nước thải trung bình
hàng năm (nồng độ BOD5 nước thải đã giảm 47-52% trong bốn HRAPs. Loại
bỏ fBOD5 là cao và nhất quán giữa bốn HRAPs với tất cả các HRAPs đạt
được 82-91% hiệu suất loại bỏ. Hiệu quả NH4-N loại bỏ bởi bốn HRAPs là
68-80%, trong khi loại bỏ PO43- chỉ 14-24%) (Craggs et al, 2012). Nghiên cứu
cho thấy tiềm năng về hiệu quả năng lượng và xử lý nước thải sử dụng HRAP,
trong khi sinh khối tảo sau thu hoạch có thể trở thành nơi phân phối nguồn
năng lượng quý cho địa phương (Craggs et al, 2012).

24


Hình 1.2. Mô hình hệ thống HRAPs trong thực tế
Nguồn: R Craggs et al (2012)
J. García và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm công nghệ nuôi tảo
hiệu suất cao (HRAPs) với 2 bể HRAPs để xử lý nước thải đô thị của khu
vựcBarcelona, Tây Ban Nha.Nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trong
một năm, phân phối theo hai giai đoạn: từ tháng 6 năm 1993 đến tháng 2 năm
1994 và giữa tháng 4 năm 1994 đến tháng bảy năm 1994. Cả hai HRAPs được
hoạt động song song, nhưng với thời gian lưu thủy lực khác nhau. Trong thời
gian đó HRAP A luôn được vận hành với thời gian lưu thủy lực cao hơn
HRAP B. Thí nghiệm cho thấy thời gian lưu thủy lực ảnh hưởng đến hiệu quả
loại bỏ Nito (khi các điều kiện thí nghiệm là giống hệt nhau cho cả 2 HRAPs).
Phạm vi của thời gian lưu thủy lực được thông qua đã được lựa chọn theo các
khuyến nghị của Oswald (1986). Thử nghiệm đầu tiên thời gian là từ tháng 7
năm 1993 đến tháng 10 năm 1993 trong đó HRAP A và B có thời gian lưu
thủy lực tương ứng là 7 và 4 ngày. Từ tháng 11 năm 1993 đến tháng 2 năm
1994, thời gian lưu thủy lực lần lượt là 10 và 8 ngày. Từ giữa tháng 4 năm
25