Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng loại bỏ các hợp chất của nitơ và phốtpho trong nước thải đô thị bằng chlorella sp. trên hệ phản ứng mở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Hải Yến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CHLORELLA SP. TRÊN HỆ PHẢN ỨNG MỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC Hà Nội – 06/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Hải Yến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CHLORELLA SP. TRÊN HỆ PHẢN ỨNG MỞ Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC Hướng dẫn 1 Hướng dẫn 2 TS. Trần Đăng Thuần PGS. TS. Lê Thị Phương Quỳnh Hà Nội – 06/2020 Lời cam đoan Luận văn của tôi có sử dụng và kế thừa số liệu của đề tài nghiên cứu khoa học sau tiến sĩ với tên đề tài “Nghiên cứu tận dụng chất dinh dưỡng trong nước thải đô thị nuôi vi tảo Chlorella sp. và ứng dụng sinh khối vi tảo thông qua chiết xuất chất kích thích sinh trưởng và sản xuất phân bón sinh học” với mã số GUST.STS.ĐT2017-ST03 chủ trì bởi Học viện Khoa học và Công nghệ. Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu khả năng loại bỏ các hợp chất của nitơ và phốtpho trong nước thải đô thị bằng Chlorella sp. trên hệ phản ứng mở” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa được công bố trong các công trình khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn đều được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Hải Yến Lời cảm ơn Trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, lòng kính trọng đến thầy TS. Trần Đăng Thuần và cô PGS. TS. Lê Thị Phương Quỳnh đã luôn dành nhiều thời gian, công sức, sự quan tâm, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo và Khoa Công nghệ Sinh học – Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn cô PGS. TS. Dương Thị Thủy và các anh chị Phòng Thủy sinh học môi trường (Viện Công nghệ môi trường), Phòng Phân tích ứng dụng (Viện Hóa học) và Phòng Hóa môi trường – CTC (Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên) cũng như các em sinh viên nghiên cứu khóa 9, 10 của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tại các phòng thí nghiệm trên đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện các thí nghiệm đề tài. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu BOD BTNMT COD DNA HARP PACl QCVN RNA TCVN TN TP TSS WSP XLNT Nghĩa của từ Biochemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa sinh học Bộ Tài nguyên và Môi trường Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa hóa học Deoxyribonucleic Acid High rate algal ponds – Hệ thống ao nuôi tảo tốc độ cao Poly Aluminium Chloride Quy chuẩn Việt Nam Ribonucleic Acid Tiêu chuẩn Việt Nam Total nitrogen – Tổng nitơ Total phosphorous – Tổng phốtpho Total solid suspended – Tổng chất rắn lơ lửng Waste stabilization pond systems – Hệ thống ao ổn định Xử lý nước thải 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 7 1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ.............................................. 7 1.1.1. Khái niệm, thành phần nước thải đô thị ............................................ 7 1.1.2. Đặc điểm nước thải đô thị ................................................................. 7 1.1.3. Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam ............................................ 8 1.2. CƠ CHẾ TIÊU THỤ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI BỞI VI TẢO.................................................................................................... 10 1.3. TỔNG QUAN VỀ VI TẢO CHLORELLA ........................................... 12 1.3.1. Đặc điểm cấu tạo hình thái, sinh sản ............................................... 12 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của Chlorella...................................................................................................... 14 1.3.2.1. Nhiệt độ ..................................................................................... 14 1.3.2.2. Ánh sáng .................................................................................... 14 1.3.2.3. pH .............................................................................................. 15 1.3.2.4. Dinh dưỡng ............................................................................... 16 1.3.2.5. Kim loại ..................................................................................... 17 1.3.3. Ứng dụng của vi tảo Chlorella ........................................................ 18 1.3.3.1. Thức ăn cho người và động vật................................................. 18 1.3.3.2. Nhiên liệu sinh học .................................................................... 19 1.3.3.3. Sản xuất phân bón sinh học ...................................................... 19 1.3.3.4. Sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm ................................................. 19 1.3.4. Một số ứng dụng của vi tảo Chlorella trong xử lý các nguồn nước thải 20 1.3.4.1. 1.3.4.2. Xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị .............................. 20 Xử lý nước thải chăn nuôi, ao nuôi trồng thủy sản .................. 21 1.3.4.3. Xử lý nước thải công nghiệp ..................................................... 22 1.4. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI KẾT HỢP NUÔI CẤY TẢO ............................................................................................ 23 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................... 25 2.2. NGUYÊN VẬT LIỆU ........................................................................... 26 2.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................................................... 30 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 31 2.4.1. Phương pháp tổng hợp và kế thừa tài liệu ....................................... 31 2.4.2. Phương pháp lấy mẫu ...................................................................... 31 2.4.3. Phương pháp thực nghiệm............................................................... 32 2.4.4. Phương pháp phân tích .................................................................... 38 2.4.4.1. Phương pháp phân tích chất lượng nước ................................. 38 2.4.4.2. Phương pháp xác định mật độ vi tảo ........................................ 38 2.4.4.3. Phương pháp xác định nồng độ tổng sinh khối ........................ 39 2.4.4.4. Phương pháp xác định hàm lượng Chlorophyll-a và b ............ 39 2.4.4.5. 2.4.4.6. Phương pháp đánh giá kết quả ................................................. 40 Phương pháp xử lý số liệu và trình bày kết quả ....................... 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 43 3.1. ĐẶC TÍNH NƯỚC THẢI SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ......... 43 3.2. DIỄN BIẾN CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG .................................. 44 3.3. SINH TRƯỞNG CỦA CHLORELLA SP. NUÔI TRONG HỆ PHẢN ỨNG 50 L VÀ DIỄN BIẾN CÁC THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC ..... 48 3.4. SINH TRƯỞNG CỦA CHLORELLA SP. NUÔI TRONG HỆ PHẢN ỨNG 500 L VÀ DIỄN BIẾN THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC............. 51 3.5. HIỆU SUẤT LOẠI BỎ DINH DƯỠNG N, P VÀ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BỞI CHLORELLA SP. NUÔI TRONG HAI HỆ 50 L VÀ 500 L .......................................................................................... 54 3.6. THU HOẠCH SINH KHỐI VÀ NĂNG SUẤT SINH KHỐI .............. 61 3.6.1. Thu hoạch sinh khối ........................................................................ 61 3.6.2. Năng suất sinh khối ......................................................................... 64 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 66 4.1. KẾT LUẬN............................................................................................ 66 4.2. KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 68 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số chủng Chlorella .......................... 13 Bảng 2.1: Danh mục hóa chất ......................................................................... 26 Bảng 2.2: Danh mục dụng cụ - thiết bị thí nghiệm ......................................... 29 Bảng 2.3: Thành phần môi trường nhân tạo BG-11 [75] ................................ 33 Bảng 3.1: Đặc tính nước thải đầu vào sử dụng trong nghiên cứu ................... 44 Bảng 3.2: Diễn biến nhiệt độ nước, pH và cường độ ánh sáng đến sự sinh trưởng của Chlorella sp. nuôi trong hệ 50 L và 500 L ................................... 47 Bảng 3.3: Các thông số tăng trưởng của Chlorella sp. nuôi trong hệ phản ứng quy mô 50 L (n=2) .......................................................................................... 48 Bảng 3.4: Các thông số tăng trưởng của Chlorella sp. nuôi trong hệ phản ứng quy mô 500 L (n=2) ........................................................................................ 51 Bảng 3.5: So sánh hiện trạng nước thải đô thị sau xử lý bởi Chlorella sp. trên hệ 50 L và 500 L theo QCVN 14: 2008/BTNMT ........................................... 58 Bảng 3.6: So sánh khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng N, P và COD bởi các loài vi tảo Chlorella sp. nuôi trong các nguồn nước thải khác nhau .............. 60 Bảng 3.7: Tổng hợp năng suất sinh khối của hỗn hợp vi tảo-vi sinh vật nuôi trên hệ thống mương mở ................................................................................. 65 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Nước thải đô thị chưa qua xử lý đổ trực tiếp vào sông Tô Lịch ..... 10 Hình 1.2: Mối quan hệ cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn trong xử lý ........... 11 nước thải .......................................................................................................... 11 Hình 1.3: Chlorella sp. .................................................................................... 12 Hình 2.1: Chlorella phân lập từ hồ Ngọc Khánh, Hà Nội (Chlorella sp.) ..... 25 Hình 2.2: Thực nghiệm lấy nước thải (A), nước thải đô thị được lọc bằng túi lọc trước khi dùng nuôi vi tảo Chlorella sp. (B) ............................................. 31 Hình 2.3: Sơ đồ quy trình nghiên cứu ............................................................. 32 Hình 2.4: Mô hình xử lý nước thải đô thị bằng vi tảo quy mô 50 L ............... 35 Hình 2.5: Mô hình xử lý nước thải đô thị bằng vi tảo quy mô 500 L ............. 37 Hình 3.1: Diễn biến thông số dinh dưỡng trong quá trình xử lý nước thải trên hệ phản ứng quy mô 50 L (n=2)...................................................................... 50 Hình 3.2: Diễn biến thông số dinh dưỡng trong quá trình xử lý nước thải trên hệ phản ứng quy mô 500 L (n=2) ................................................................... 54 Hình 3.3: Hiệu suất xử lý COD, NH4+-N và PO43--P bởi Chlorella sp. nuôi trong hai hệ phản ứng 50 L (A) và 500 L (B) (n=2) ....................................... 57 Hình 3.4: Các bước thu hoạch sinh khối vi tảo-vi sinh vật............................. 63 5 MỞ ĐẦU Ngày nay các vấn đề ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm lớn của xã hội. Quá trình gia tăng dân số nhanh chóng, cách mạng công nghiệp và đô thị hóa dẫn đến các hình thức ô nhiễm môi trường khác nhau như ô nhiễm nước, đất, không khí. Trong đó ô nhiễm nguồn nước đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Nước thải không qua xử lý từ các hoạt động của con người trong sinh hoạt hằng ngày và nước thải công nghiệp, dịch vụ từ các nhà máy, khu sản xuất, nhà hàng đã đổ trực tiếp lượng lớn chất ô nhiễm vào các nguồn tiếp nhận như sông, hồ, đại dương. Các chất ô nhiễm này bao gồm cacbon vô cơ, hữu cơ, chất dinh dưỡng (N, P) và kim loại nặng gây suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ động, thực vật sống thủy sinh và nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe của con người thông qua chuỗi thức ăn. Vì vây, xử lý nước thải đang là nhiệm vụ quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm, duy trì hệ sinh thái đáp ứng nhu cầu dân số ngày càng tăng về nước sạch và các vấn đề môi trường tối thiểu. Các phương pháp xử lý hóa lý và sinh học dùng vi sinh vật (bùn hoạt tính và/hoặc xử lý yếm khí) được sử dụng trong xử lý nước thải có thể đạt được chất lượng nước trước khi xả vào môi trường hoặc tái sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra một lượng bùn thải lớn và yêu cầu phải có diện tích phát sinh để tập kết và qui trình xử lý bùn phù hợp nhằm tránh gây ra ô nhiễm thứ cấp (phát sinh mùi hôi thối). Do vậy, hiện nay phương pháp xử lý nước thải dùng vi tảo được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của các phương pháp xử lý nước thải truyền thống. Các chất dinh dưỡng (các hợp chất của các bon, nitơ và phốtpho) trong nước thải đô thị là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi tảo. Vì vậy, sự loại bỏ các chất ô nhiễm thông qua quá trình tiêu thụ chúng bởi vi tảo sẽ tạo ra sinh khối. Trong khi đó, sinh khối vi tảo thu được có hàm lượng cao các hợp chất cao phân tử như chất béo, proteins, carbohydrate có giá trị tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi, phân bón cây trồng, phụ gia thực phẩm, hoạt tính sinh học trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm. Vi tảo lục đơn bào Chlorella sp. là một trong những loại vi tảo được áp dụng rộng rãi trên thế giới để xử lý nước thải do tốc độ tăng trưởng 6 nhanh, hàm lượng lipids cao và đã được chứng minh khả năng loại bỏ các bon, nitơ và phốtpho. Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện để đánh giá hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng khi sử dụng vi tảo này trong nước thải đô thị khu vực quận Cầu Giấy (Hà Nội) trên hệ phản ứng mở quy mô thử nghiệm (500 L) với tên đề tài “Nghiên cứu khả năng loại bỏ các hợp chất của nitơ, phốtpho trong nước thải đô thị bằng vi tảo Chlorella sp. trên hệ phản ứng mở”. Mục tiêu nghiên cứu: (1) Nghiên cứu đặc tính của nước thải đô thị Quận Cầu Giấy, Hà Nội; (2) Nghiên cứu sự sinh trưởng và năng suất sinh khối của Chlorella sp. nuôi trong nước thải đô thị Quận Cầu Giấy trên hệ phản ứng mở; (3) Đánh giá về khả năng loại bỏ N, P trong nước thải đô thị Quận Cầu Giấy bởi Chlorella sp. và các thông số nước thải sau xử lý theo QCVN 14:2008/BTNMT. 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1.1.1. Khái niệm, thành phần nước thải đô thị Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố, đó là hỗn hợp của các loại nước thải bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước mưa thấm qua [1]. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu, tính chất đặc trưng của thành phố. Lưu lượng và hàm lượng của nước thải thường dao động trong phạm vi rất lớn, tính chất nước thải thay đổi theo mùa, theo ngày làm việc, ngày nghỉ trong tuần [2]. 1.1.2. Đặc điểm nước thải đô thị Nước thải sinh hoạt chiếm đến 50% nước thải đô thị, là nước đã được sử dụng và thải ra từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, khu vui chơi giải trí, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt, vệ sinh của con người [1-3]. Khoảng 65-85% lượng nước cung cấp cho một người thường trở thành nước thải. Lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp thoát nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước của mỗi khu dân cư [4]. Nước thải sinh hoạt thường có màu xám hoặc hơi vàng do chứa các hàm lượng lớn chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học bao gồm các hợp chất protein (40-50%), hydrat cacbon (40-50%) gồm tinh bột, đường, xenluozo và chất béo (5-10%), ngoài ra còn có các thành phần vô cơ dinh dưỡng (phốtpho, nitơ), vi sinh vật, vi trùng gây bệnh nguy hiểm [4, 5]. Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện sống, thói quen sinh hoạt, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận nước thải [1]. Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất) là nước thải sau quá trình sản xuất đến từ các xí nghiệp công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải và chiếm 36% trong nước thải đô thị. Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất, quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm. Đặc tính ô nhiễm và nồng độ của nước thải công nghiệp vì thế rất khác nhau tùy thuộc vào loại hình, chế độ công nghiệp lựa chọn 8 cũng như quy mô doanh nghiệp. Thành phần nước thải công nghiệp cũng rất đa dạng, thậm chí ngay trong một ngành công nghiệp, số liệu có thể thay đổi đáng kể do mức độ hoàn thiện của công nghệ sản xuất hoặc điều kiện môi trường, vì vậy độ độc hại gây ô nhiễm cũng khác nhau [2, 4]. Trong nước thải công nghiệp chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ như protein, các dạng cacbonhydrat, dầu mỡ (công nghiệp chế biến thực phẩm), hemuxenluloza, lignin (công nghiệp sản xuất giấy). Ngoài ra nước thải từ các nhà máy thuộc da thường chứa nhiều kim loại nặng và sulfua. Nước thải từ nhà máy sản xuất acquy có nồng độ axit và chì cao. Nước thải của các cơ sở xi mạ chứa hàm lượng kim loại nặng cao và pH thấp [1, 6]. Nước thải là nước mưa (hay nước thấm): là nước mưa chảy tràn trên mặt đất và kéo theo các chất cặn bã, dầu mỡ…đi vào hệ thống thoát nước (chiếm khoảng 14% nước thải đô thị) [3, 4]. Hiện nay, tại các quốc gia phát triển đã sử dụng mạng lưới cống thoát riêng biệt giữa nước thải và nước mưa. Do vậy, lượng nước thải đi về các nhà máy xử lý sẽ chỉ bao gồm: nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất và nước ngầm thâm nhập. Tuy nhiên, hầu hết các thị trấn, thị xã và thành phố ở nước ta thường sử dụng mạng lưới cống, kênh mương chung cho thoát nước thải và nước mưa. Vì vậy, lượng nước chảy về nhà máy gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước ngầm thâm nhập và một phần nhỏ là nước mưa. 1.1.3. Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam Theo báo cáo đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị Việt Nam năm 2013 của ngân hàng thế giới, tình trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam ngày càng gia tăng đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Nam Định, Hải Dương…Một phần nguyên nhân do tốc độ đô thị hóa ở nước ta diễn ra khá nhanh nhưng không phát triển cân xứng với cơ sở hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải [2]. Hệ thống thoát nước thải đô thị dùng chung cho thoát nước mưa, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải y tế, rác thải nhưng không có hệ thống xử lý nước thải tập trung và phân tán qua nhiều thời kỳ khác nhau. Đa số các nguồn thải đều được xả thẳng xuống các kênh, mương, 9 sông, hồ. Bên cạnh đó, sự gia tăng dân số, các hoạt động phát triển kinh tế xã hội đã và đang làm phát sinh một lượng không nhỏ các loại nước thải gây ảnh hưởng đến các nguồn tiếp nhận [6]. Theo số liệu của Bộ Xây dựng, tính đến năm 2017, trên cả nước đã có 39 nhà máy/trạm xử lý nước thải (XLNT) tập trung được xây dựng tại các đô thị từ loại III trở lên đã đi vào hoạt động với công suất thiết kế 907.950 m3/ngày đêm. Tuy nhiên, do mạng lưới cấp thoát nước thiếu đồng bộ nên một số nhà máy XLNT không hoạt động hết công suất do không đủ nước thải đầu vào. Tại Hà Nội, khoảng 20,62% tổng lượng nước thải thành phố được xử lý, trong khi tại Thành phố Hồ Chí Minh, tỷ lệ nước thải xử lý chỉ là 13% [7]. Theo thống kê, lượng nước thải công nghiệp phát sinh tại một số khu công nghiệp lớn như thành phố Hồ Chí Minh là 278.000 m3/ngày đêm trong đó 82,5% nguồn thải trên 50 m3/ngày đêm có hệ thống xử lý, 69,5% nguồn nước thải lưu lượng từ 30-50 m3/ngày đêm được xử lý, lưu lượng nước thải từ 1030 m3/ngày đêm khả năng xử lý đạt 60,5%; lượng nước thải công nghiệp ở Bình Dương cũng tương đối lớn với lượng thải 136.700 m3/ngày đêm; tại Hà Nội, trung bình mỗi ngày đêm, lượng nước thải công nghiệp mà thành phố tiếp nhận là 75.000 m3 trong đó lượng nước thải được xử lý chỉ chiếm một phần nhỏ [7]. Báo cáo của Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Đà Nẵng năm 2015 có 37 cơ sở doanh nghiệp đang hoạt động sản xuất chế biến thủy hải sản với tổng lượng nước thải đạt 3.000 m3/ngày đêm, cao điểm 4.0005.000 m3/ngày đêm. Tuy nhiên hiện nay hệ thống XLNT của khu công nghiệp dịch vụ hải sản Đà Nẵng đã bị quá tải gây ô nhiễm môi trường khu vực xung quanh [7]. Tại Hà Nội, thực tế các kênh mương, sông, hồ nội thành từ lâu đã trở thành nơi chứa nước thải của thành phố. Sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Sét, sông Lừ là các con sông chính tiếp nhận lượng nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý khu vực nội đô Hà Nội. Tính đến năm 2013, lượng nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý mà sông Tô Lịch tiếp nhận chiếm tới 48,1% tổng lưu lượng nước thải (lượng xả vào sông Kim Ngưu là 31,9%, sông Sét là 12,7% và sông Lừ là 3,0%) [8, 9]. Hiện nay, nước ở các con sông này có màu đen và 10 mùi gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân xung quanh và cảnh quan đô thị [10]. Năm 2016 thành phố Hà Nội chỉ có 30/43 cụm công nghiệp tập trung đi vào hoạt động không có trạm XLNT. Trung bình mỗi ngày đêm, lượng nước thải công nghiệp chưa qua xử lý mà thành phố tiếp nhận là 45.000 m3. Ngoài ra, vấn đề XLNT ở các cụm công nghiệp, khu công nghiệp và cơ sở sản xuất nhỏ lẻ trong nội thành Hà Nội gặp nhiều khó khăn do nằm xen kẽ trong các khu dân cư, khu đô thị. Các doanh nghiệp vừa và nhỏ còn gặp nhiều vấn đề trong việc thiếu hụt kinh phí xây dựng hệ thống XLNT đạt tiêu chuẩn cũng như không tiếp cận được công nghệ xử lý chất thải mới [6, 7]. Hình 1.1: Nước thải đô thị chưa qua xử lý đổ trực tiếp vào sông Tô Lịch (Nguồn: baotainguyenmoitruong) 1.2. CƠ CHẾ TIÊU THỤ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI BỞI VI TẢO Vi tảo được biết đến là vi sinh vật quang hợp có khả năng chuyển động, kích thước nhỏ từ vài µm đến 100 µm phát triển nhanh chóng nhờ quá trình quang hợp quang tự dưỡng hoặc dị dưỡng, hoặc cả hai hình thức. Mặt khác, vi tảo có thể sống trong điều kiện khắc nghiệt do cấu trúc đơn bào hoặc đa bào của chúng. Tảo gồm các ngành chính: Chlorophyta, Euglenophyta, Dinophyta, Bacilariophyta, Cyanophyta. Khả năng phát triển của vi tảo phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng (N, P), cơ chất (cacbon vô cơ, CO2, HCO3-, cacbon hữu cơ như đường…), ánh sáng, nhiệt độ [11]. Vi tảo sinh trưởng và phát triển trong nước thải thông qua ba quá trình: (1) quá trình quang tự dưỡng: vi tảo tiệu thụ các chất gồm cacbon vô cơ (CO2, HCO3-), nitơ, phốtpho 11 và sử dụng sáng làm nguồn năng lượng; (2) quá trình dị dưỡng: vi tảo chỉ tiêu thụ các chất cacbon hữu cơ (đường, acetate), nitơ và phốtpho; (3) quá trình tạp dưỡng: vi tảo đồng thời tiêu thụ cacbon vô cơ và hữu cơ, nitơ và phốtpho và sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng [12]. Cacbon được tảo tiêu thụ để hình thành các hợp chất cao phân tử như cacbonhydrate và lipids. Nitơ được tiêu thụ để hình thành các phân tử protein và vật liệu di truyền deoxyribonucleic acid (DNA) và axit ribonucleic (ARN), còn phốtpho được tiêu thụ để hình thành các phân tử dự trữ năng lượng hóa học adenosine triphosphate (ATP). Như vậy quá trình tiêu thụ các chất ô nhiễm của vi tảo để xây dựng lên tế bào và phát triển sinh khối có hàm lượng protein trong vi tảo khô có thể lên tới 50-60% (8-20% N) [11, 13]. Thực tế, trong nước thải tồn tại rất nhiều vi sinh vật và thực tế xử lý nước thải với lượng thể tích lớn hoàn toàn không thể tiệt trùng để nuôi vi tảo. Sự sinh trưởng của vi tảo chính là sự cộng sinh với hệ vi sinh vật có trong nước thải. Trong hệ thống nuôi vi tảo sử dụng nước thải khuấy trộn, vi sinh vật hiếu khí chiếm ưu thế và thực hiện vai trò phân hủy chất hữu cơ phức tạp (quá trình ôxy hóa dùng O2) và tạo ra các chất đơn giản như NO3-, NO2-, PO43và CO2 và những chất này nhanh chóng được tiêu thụ bởi vi tảo để phát triển sinh khối (Hình 1.2). Chất hữu cơ O2 Sinh khối Vi sinh vật Vi tảo Tế bào mới Ánh sáng Hình 1.2: Mối quan hệ cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn trong xử lý nước thải Nguồn: www.thepoultrysite.com 12 1.3. TỔNG QUAN VỀ VI TẢO CHLORELLA 1.3.1. Đặc điểm cấu tạo hình thái, sinh sản Giới: Plantae Ngành: Chlorophyta Bộ: Chlorellales Họ: Chlorellaceae Loài: Chlorella sp. Hình 1.3: Chlorella sp. (Nguồn: Sarawak biodiversity centre) Chlorella là một chi của tảo đơn bào, nhân thực, thuộc ngành tảo Lục (Chlorophyta). Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình ovan (đường kính 2-10 µm). Màng tế bào mỏng, đôi khi phủ chất nhầy, có vách xenlulozo bao bọc và chịu được các tác động cơ học nhẹ. Chlorella có thể sống ở môi trường cạn hoặc nước, phát triển trong điều kiện nhiệt độ từ 15 đến 35oC. Chlorella có các sắc tố quang hợp là chlorophyll a và b trong lục lạp; có khả năng lấy nước, các khoáng chất thiết yếu và biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để sinh trưởng và phát triển. Chlorella có tốc độ tăng trưởng nhanh, trong ba giờ có khả năng tăng gấp đôi mật độ, sinh sản vô tính bằng tự bào tử. Tùy theo loài và điều kiện môi trường mà số lượng các loại bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có thể lên tới 64) tự bào tử bằng cách đi qua lỗ nứt của màng tế bào mẹ. Những tế bào con mới hình thành có vòng phát triển sau 4-6 tiếng đến giai đoạn trưởng thành, có khả năng sinh 13 trưởng, toàn bộ chu trình lặp lại từ đầu [12]. Chlorella được xem là nguồn dinh dưỡng có giá trị cao với hàm lượng protein khoảng 60% (đối với sinh khối khô), lipit 12-15%, polysacarit (10-15%) chứa hầu hết các axit amin thiết yếu như lysin, ethionie, arginine, histidin…và các axit béo không no, carotenoid (phần lớn là lutein). Chlorella có chứa hầu hết các vitamin: A, B1, B2, B6, B12, C, D, K đặc biệt giàu vitamin C [14, 15]. Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số chủng Chlorella Chlorella Chlorella (Đài Loan) (Yeayarna) Thành phần chung (g trong 100g sinh khối khô) Protein 63,5 67,5 Chất béo 14,5 13,4 Cacbohydrat 11,1 10,4 Axit amin (g trong 100 g sinh khối khô) Arginine 3,54 3,9 Lysin 3,44 5,03 Histidin 1,26 1,33 Leuxin 5 5,27 Methionin 1,57 1,35 Valin 3,57 3,47 Alanin 4,78 4,75 Glyxin 3,52 3,51 Serin 2,41 2,4 Trytophan 1,19 1,23 Cystin 0,76 0,8 Các vitamin (mg trong 100g sinh khối khô) Vitamin A 11,8 8,3 Vitamin B1 1,77 1,63 Vitamin B2 4,82 5,68 Vitamin B6 2,03 2,34 Bitamin B12 0,8 Vitamin C 49 Vitamin E 22,6 Axit Folic 1,2 2,4 Sắc tố (mg trong 100g sinh khối khô) Chlorophyll 2770 3710 Caroten 77,9 113,2 Lutein 220 449 Chlorella regularis 61,8 12,1 14,8 6,35 4,51 1,11 4,46 1,23 2,88 4,06 2,83 1,98 9,95 0,78 1,7 5,1 2,2 26,1 23,2 1,2 3600 112 368 14 Khoáng chất (mg trong 100g sinh khối khô) Natri 17,8 115 Kali 929 1030 Caxi 650 205 Magie 336 279 Sắt 147 164 Mangan Kẽm 7,7 - 57 1420 128 380 73 18 2 Nguồn: Richmond, Hu và cs., 2013 [16] 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của Chlorella 1.3.2.1. Nhiệt độ Nhiệt độ là một trong những yếu tố môi trường ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng, kích thước tế bào, thành phần sinh hóa của vi tảo. Nhiệt độ có tác động mạnh mẽ lên tất cả các quá trình enzyme của tế bào vi tảo, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất. Nhiệt độ cao gây ra sự thoái hóa protein do đó giảm khả năng phát triển và gây chết tế bào vi tảo [15]. Khi nhiệt độ môi trường thấp làm thay đổi cơ chế tế bào do đó giảm tính lưu động của màng tế bào. Ngoài ra, nhiệt độ thấp còn hạn chế tốc độ tăng trưởng của tế bào dẫn đến giảm năng suất sinh khối. Chlorella có thể phát triển tối ưu trong khoảng nhiệt độ từ 25oC đến 35oC, khi nhiệt độ tăng cao (trên 38oC) có thể gây chết tế bào [17]. 1.3.2.2. Ánh sáng Ánh sáng rất quan trọng đối với sự phát triển của các sinh vật quang hợp. Vi tảo có thể hấp thụ ánh sáng tốt nhờ chất diệp lục có trong tế bào và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học (ATP), quá trình này được gọi là quang hợp [18]. Trong quá trình này, vi tảo sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO2 thành các chất hữu cơ có trong tế bào như cacbonhidrat, protein, giải phóng O2 và sử dụng như nguồn năng lượng chính để xây dựng cấu trúc tế bào và sinh sản. Trong điều kiện chiếu sáng giới hạn, vi tảo tiến hành tổng hợp các amino axit và các hợp chất cần thiết khác cho tế bào. Khi điều kiện chiếu sáng bão hòa, sản xuất đường và tinh bột trong tế 15 bào tăng lên và tốc độ tăng trưởng tối đa của vi tảo được ổn định [17]. Cường độ ánh sáng quá cao vượt qua mức độ bão hòa sẽ gây ra hiện tượng ức chế quang (photoinhibition) và điều này có thể làm bất hoạt enzyme tham gia vào quá trình cố định CO2. Ngoài cường độ ánh sáng, sự phát triển của vi tảo còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn sáng, chu kỳ chiếu sáng và các thành phần quang phổ [19]. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng tốc độ tăng trưởng vẫn cao khi không được chiếu sáng liên tục. Do sự phân chia tế bào trong nuôi cấy quang hợp đơn bào thường xảy ra trong điều kiện tối [17]. Mặt khác, trong điều kiện cường độ ánh sáng cao, hiệu quả sử dụng ánh sáng có thể được tối ưu hóa bằng cách kéo dài thời gian tối. Điều này cho phép bộ máy quang hợp trong tế bào tảo hấp thụ được hết các photon và chuyển chúng thành năng lượng hóa học và tránh ảnh hưởng của photoinhibiton. Nếu thiếu ánh sáng trong một khoảng thời gian dài, vi tảo sẽ thích nghi bằng cách tăng hàm lượng chlorophyll trong tế bào. Đặc tính ánh sáng khác nhau sẽ tạo ra chlorophyll khác nhau và ảnh hưởng đến quang hợp dẫn đến sự thay đổi về sinh trưởng cũng như sinh khối của tảo [20]. Theo Daliry và cộng sự (2017), vi tảo có sự phân chia tế bào ở cả pha sáng và pha tối, tuy nhiên sự phân chia tế bào nhiều hơn sau khi dừng pha sáng. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng, thời gian chiếu sáng là 16:8 (sáng: tối) cùng với cường độ ánh sáng là 5000 lux thì đạt hiệu quả tối đa về sinh khối vi tảo khi nuôi trong các bể lớn [17]. Vi tảo thường sử dụng các bước sóng trong khoảng 400-700 nm cho quang hợp. Ánh sáng xanh (430-465 nm) và ánh sáng đỏ (630-665 nm) có hiệu quả tốt nhất cho sự quang hợp của Chlorella vulgaris. Nghiên cứu của Mathy và cộng sự (1997) cũng chỉ ra rằng việc sử dụng ánh sáng đỏ làm tăng sắc tố diệp lục trong khi ánh sáng xanh sẽ làm tăng trưởng các tế bào trong vi tảo Chlorella [17, 19, 21]. 1.3.2.3. pH pH đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình của tế bào vi tảo, bao gồm chuyển hóa năng lượng, tác động đến cấu trúc, chức năng của bào quan, enzyme và protein. Đối với hầu hết các loài vi tảo, phạm vi pH trong môi trường nuôi cấy dao động từ 7 đến 9. Khi pH quá cao có thể làm ức chế và gây chết tế bào [18]. Nghiên cứu của Khalil và cộng sự (2010) đã chỉ ra rằng