Luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng tảo chlorella vulgaris và loại bỏ tảo bằng ferrate

Tài liệu đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng từ tảo chlorella vulgaris và l tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành

• Tác giả: Trương Nhật Tân
• Người hướng dẫn: TS. Trần Tiến Khôi
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Chất Dinh Dưỡng Từ Tảo Chlorella Vulgaris Và Loại Bỏ Tảo Bằng Ferrate
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Giới thiệu về Chlorella vulgaris
• 2.1.1. Phân loại và tên khoa học
• 2.1.2. Đặc điểm của Chlorella vulgaris
• 2.1.3. Hình thức sinh sản của Chlorella vulgaris
• 2.2. Ảnh hưởng của tảo đến môi trường
• 2.3. Các phương pháp loại bỏ tảo
• 2.3.1. Keo tụ - tạo bông
• 2.4. Khái quát về ferrate
• 2.4.1. Tính chất hoá học
• 2.4.2. Phương pháp điều chế ferrate
• 2.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2.5.1. Nghiên cứu trên thế giới
• 2.5.2. Nghiên cứu ở Việt Nam
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.2. Nguyên vật liệu
• 3.2.1. Tảo Chlorella vulgaris và môi trường nuôi cấy
• 3.2.2. Phương pháp phân lập và tăng sinh khối tảo
• 3.2.3. Mẫu nước thải
• 3.2.4. Các thiết bị và dụng cụ
• 3.3. Mô hình nghiên cứu
• 3.3.1. Mô hình theo mẻ
• 3.3.2. Mô hình liên tục
• 3.4. Phương pháp phân tích
• 3.4.1. Phương pháp điều chế ferrate
• 3.4.2. Phương pháp xác định tăng trưởng của tảo
• 3.4.3. Phương pháp loại bỏ tảo
• 3.4.4. Thống kê số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả điều chế ferrate
• 4.1.1. Dung dịch ferrate từ phương pháp oxy hóa ướt
• 4.1.2. Bột ferrate kết tinh
• 4.2. Quá trình tăng trưởng của tảo
• 4.3. Hiệu quả xử lý nước thải của tảo
• 4.4. Đánh giá khả năng loại bỏ tế bào tảo ra khỏi nước thải
• 4.4.1. Ảnh hưởng của pH khi xử lý tảo
• 4.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng khi keo tụ xử lý tảo
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Chlorella vulgaris

Chlorella vulgaris là một loại tảo xanh thuộc họ Chlorellaceae, nổi bật với khả năng phát triển trong môi trường nước thải. Đặc điểm của Chlorella vulgaris bao gồm kích thước nhỏ (2-10 µm) và khả năng quang hợp mạnh mẽ, cho phép nó hấp thụ CO2 và các chất dinh dưỡng như N, P từ nước thải. Nghiên cứu cho thấy Chlorella vulgaris có thể xử lý hiệu quả các chất dinh dưỡng như N-NH4, N-NO3 và P-PO4 trong nước thải, với hiệu suất đạt 89%-93%, 64%-76% và 69%-88% tương ứng. Các yếu tố môi trường như pH và cường độ ánh sáng ảnh hưởng lớn đến tốc độ tăng trưởng của tảo, với pH tối ưu khoảng 9-10. Việc sử dụng Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải không chỉ giúp loại bỏ chất dinh dưỡng mà còn tạo ra sinh khối có giá trị cho các ứng dụng khác như sản xuất phân bón sinh học.

II. Phương pháp xử lý nước thải bằng ferrate

Ferrate là một chất oxy hóa mạnh, được sử dụng để loại bỏ tảo và các chất ô nhiễm trong nước thải. Nghiên cứu cho thấy ferrate có khả năng keo tụ tốt hơn so với phèn nhôm, với hiệu quả loại bỏ tảo đạt 84%-97% tại liều lượng 12 mg/L. Việc sử dụng ferrate không chỉ giúp tăng hiệu quả xử lý mà còn giảm thiểu sản xuất bùn thải, một vấn đề lớn trong các phương pháp xử lý truyền thống. Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát hiệu quả của ferrate ở các pH khác nhau và tìm ra rằng pH 8 là điều kiện tối ưu để loại bỏ tảo. Điều này cho thấy ferrate có thể là một giải pháp thân thiện với môi trường trong việc xử lý nước thải, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái nước.

III. Đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng từ nước thải bằng Chlorella vulgaris và ferrate cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng nước. Việc sử dụng tảo không chỉ giúp loại bỏ các chất dinh dưỡng mà còn góp phần cải thiện môi trường sống của các sinh vật thủy sinh. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc kết hợp giữa tảo và ferrate có thể tối ưu hóa quá trình xử lý, giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả. Điều này mở ra cơ hội cho việc ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Việc áp dụng Chlorella vulgaris trong xử lý nước thải giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị như phân bón sinh học. Sự kết hợp giữa tảo và ferrate mở ra hướng đi mới trong công nghệ xử lý nước thải, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi ô nhiễm nước đang trở thành vấn đề nghiêm trọng. Kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải khác nhau, từ quy mô nhỏ đến lớn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm dinh dưỡng nitơ và photpho trong nước thải đô thị sau xử lý sinh học đang là thách thức môi trường cấp bách, dễ dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa làm suy giảm oxy hòa tan trong các thủy vực tự nhiên. Nghiên cứu của học viên Trương Nhật Tân tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (thực hiện từ ngày 11/01/2016 đến 04/12/2016) đã giải quyết trọn vẹn bài toán kép: đánh giá khả năng xử lý dưỡng chất bằng vi tảo Chlorella vulgaris và ứng dụng chất keo tụ xanh Ferrate(VI) để tách thu hồi tế bào tảo. Đề tài khảo sát trên nguồn nước thải sinh hoạt thực tế với hai dải nồng độ đầu vào, trong đó N-NH4 dao động từ 8,2 ± 0,7 mg/L đến 15,0 ± 0,9 mg/L và P-PO4 từ 4,5 ± 0,5 mg/L đến 5,7 ± 0,4 mg/L. Kết quả ghi nhận vi tảo đạt hiệu suất loại bỏ N-NH4 từ 89% - 93%, N-NO3 từ 64% - 76% và P-PO4 từ 69% - 88%. Đặc biệt, sử dụng muối kali ferrate K2FeO4 ở liều lượng tối ưu 12 mgFe/L tại pH 8,0 đã loại bỏ 84% - 97% tế bào tảo, khắc phục hoàn toàn nhược điểm phát sinh bùn thải lớn của phèn nhôm truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên 3 nền tảng lý thuyết cốt lõi của kỹ thuật môi trường và công nghệ sinh học:

Thứ nhất, lý thuyết quang hợp và đồng hóa dinh dưỡng vi tảo. Chlorella vulgaris là vi tảo lục đơn bào hình cầu đường kính 2 – 10 µm, có khả năng dinh dưỡng tạp dưỡng linh hoạt. Tế bào sử dụng năng lượng ánh sáng và carbon vô cơ để đồng hóa nitơ vô cơ thành axit amin thông qua hệ enzyme reductase và tổng hợp photpho vô cơ thành ATP cùng axit nucleic qua quá trình phosphoryl hóa.

Thứ hai, lý thuyết oxy hóa khử và keo tụ tạo bông của hợp chất Ferrate(VI). Muối K2FeO4 sở hữu nguyên tử sắt Fe(VI) mang thế oxy hóa cực cao (+2,20 V trong môi trường axit và +0,72 V trong kiềm). Khi phản ứng, Fe(VI) bị khử về Fe(III) tạo bông cặn ferric hydroxide Fe(OH)3 không độc hại, giúp trung hòa điện tích bề mặt tế bào vi tảo.

Thứ ba, mô hình động học sinh trưởng vi sinh vật mô tả tốc độ sinh trưởng đặc thù qua 4 pha: tiềm phát, lũy thừa, cân bằng và suy vong.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn giống tảo Chlorella vulgaris thuần khiết được phân lập từ Khoa Công nghệ Sinh học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 2 nguồn nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học, được nuôi cấy trong mô hình bể kính 63 lít (kích thước 30 x 35 x 60 cm) theo chế độ mẻ 14 ngày và chế độ liên tục với thời gian lưu 4 ngày. Mô hình nuôi cấy song song này giúp đánh giá chính xác động học hấp thụ dưỡng chất ở mật độ ban đầu 4 triệu tế bào/mL tại nhiệt độ 25 – 27°C.

Hóa chất Ferrate được tự điều chế tại phòng thí nghiệm bằng phương pháp oxy hóa ướt từ Fe(NO3)3.9H2O và kali hypochlorite trong dung dịch KOH, đạt độ tinh khiết 97% - 98%. Quá trình keo tụ khảo sát trên thiết bị Jartest với 5 mức pH (từ 5 đến 9) và 5 dải liều lượng: Ferrate từ 4 đến 20 mgFe/L so sánh với phèn nhôm Al2(SO4)3 từ 5 đến 25 mgAl/L. Quy trình khuấy gồm khuấy nhanh 150 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 50 vòng/phút trong 10 phút và lắng 30 phút. Các chỉ tiêu OD680, Chlorophyll-a, N-NH4, N-NO3, N-NO2 và P-PO4 được phân tích theo tiêu chuẩn SMEWW 4500, SMEWW 10200H và TCVN 4562-1988 trên máy quang phổ HACH DR2800.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và ứng dụng cao:

1. Động học sinh trưởng vượt trội: Chlorella vulgaris trải qua pha tiềm phát ngắn chỉ 1 ngày và đạt tốc độ sinh trưởng đặc thù 0,346 ngày⁻¹ trong nước thải sinh hoạt, cao hơn 50,4% so với môi trường F/2 (đạt 0,230 ngày⁻¹). Mật độ tế bào đạt đỉnh sau 4 – 6 ngày.

2. Hiệu suất xử lý dinh dưỡng cao: Vi tảo loại bỏ triệt để N-NH4 đạt 89% - 93%, đưa nồng độ amoni từ 15,0 mg/L xuống dưới 1,5 mg/L. Hiệu suất xử lý N-NO3 đạt 64% - 76% và P-PO4 đạt 69% - 88%.

3. Hiệu quả tách tảo tối ưu bằng Ferrate: Tại pH 8,0 và liều lượng 12 mgFe/L, Ferrate đạt hiệu suất tách tế bào tảo cao nhất từ 84% - 97% căn cứ trên độ giảm OD680 và Chlorophyll-a sau 30 phút lắng.

4. Ưu thế vượt trội so với phèn nhôm: Ở cùng pH 8,0, phèn nhôm chỉ đạt hiệu suất keo tụ 75% - 88% và đòi hỏi liều lượng cao hơn từ 15 – 20 mgAl/L. Ferrate giúp giảm hơn 30% thể tích bùn và không tạo ra phụ phẩm độc hại như trihalomethanes hay axit haloacetic.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất loại bỏ amoni cao hơn nitrat là do vi tảo ưu tiên tiêu thụ trực tiếp NH4+ để tổng hợp axit amin mà không cần enzyme khử nitrat, chỉ chuyển sang NO3- khi amoni cạn kiệt. Quá trình quang hợp tiêu thụ mạnh CO2 và HCO3- làm tăng pH môi trường nuôi cấy từ 8,1 lên 9,5 vào cuối chu kỳ.

Đối với quá trình keo tụ, tại pH 8,0, Ferrate(VI) thủy phân tạo thành các hạt Fe(OH)3 tích điện dương, nhanh chóng trung hòa lớp điện tích âm trên màng tế bào Chlorella vulgaris (kích thước 2 – 10 µm) để tạo bông cặn lắng nhanh. Tốc độ sinh trưởng 0,346 ngày⁻¹ hoàn toàn tương đồng với công bố của một số nghiên cứu quốc tế trước đây (đạt từ 0,340 đến 0,343 ngày⁻¹). Hiệu quả keo tụ của Ferrate vượt trội so với các nghiên cứu dùng muối nhôm truyền thống.

Dữ liệu thực nghiệm được minh chứng rõ qua biểu đồ động học sinh trưởng 14 ngày (tương quan tuyến tính R² = 0,9998 giữa mật độ tế bào và OD680) cùng bảng ma trận kết hợp 5 mức pH và 5 dải liều lượng, xác định điểm hội tụ tối ưu tại pH 8,0 và 12 mgFe/L.

Đề xuất và khuyến nghị

Bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm ứng dụng kết quả vào thực tiễn:

Thứ nhất, tích hợp bể nuôi vi tảo tải cao (HRAP) sau xử lý sinh học hiếu khí tại các trạm xử lý nước thải đô thị. Mục tiêu giảm trên 90% nitơ tổng và 80% photpho tổng với thời gian lưu nước thiết kế 4 ngày. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý các nhà máy xử lý nước thải; Thời gian triển khai: 6 đến 12 tháng.

Thứ hai, triển khai trạm điều chế Ferrate tại chỗ bằng phương pháp oxy hóa ướt để cung cấp dung dịch K2FeO4 nồng độ 40 – 60 mM đạt độ tinh khiết trên 95%, giúp giải quyết bài toán bảo quản và giảm 25% chi phí hóa chất. Chủ thể: Doanh nghiệp công nghệ môi trường; Thời gian: Quý 3 năm 2024.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình keo tụ tách tảo bằng Ferrate với thông số vận hành: pH 8,0, liều lượng châm 12 mgFe/L, khuấy nhanh 150 vòng/phút trong 1 phút và khuấy chậm 50 vòng/phút trong 10 phút để thu hồi trên 95% sinh khối tảo. Chủ thể: Kỹ sư vận hành hệ thống cấp thoát nước; Áp dụng ngay từ năm 2024.

Thứ tư, tái sử dụng bùn sinh khối tảo Chlorella vulgaris sau keo tụ để chế biến phân bón sinh học giàu vi lượng sắt hoặc chiết xuất lipid sản xuất biodiesel, giúp giảm 100% chi phí chôn lấp bùn thải. Chủ thể: Viện nghiên cứu nông nghiệp phối hợp doanh nghiệp năng lượng; Thời gian: Giai đoạn 2024 – 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị tri thức và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải: Nắm vững các thông số kỹ thuật thực nghiệm (thời gian lưu 4 ngày, pH 8,0, liều lượng 12 mgFe/L) để nâng cấp trạm xử lý nước thải đạt chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT với chi phí hóa chất tối ưu.

2. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên ngành Kỹ thuật môi trường: Tiếp cận phương pháp phân lập Chlorella vulgaris, quy trình tổng hợp muối Ferrate tinh khiết 97% - 98% và kỹ thuật phân tích OD680 kết hợp Chlorophyll-a.

3. Doanh nghiệp và chủ đầu tư khu công nghiệp: Có cơ sở khoa học vững chắc để thay thế chất keo tụ nhôm bằng Ferrate, giúp giảm hơn 30% bùn thải và triệt tiêu nguy cơ phát sinh phụ phẩm độc hại như THM và HAA.

4. Doanh nghiệp sản xuất phân bón sinh học và năng lượng tái tạo: Ứng dụng nguồn sinh khối vi tảo thu hồi sau xử lý để phát triển phân bón hữu cơ sinh học và nguyên liệu sản xuất diesel sinh học theo mô hình kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tảo Chlorella vulgaris xử lý chất dinh dưỡng trong nước thải theo cơ chế nào? Chlorella vulgaris hấp thụ N-NH4, N-NO3 và P-PO4 qua màng tế bào dưới tác động quang hợp để tổng hợp protein và ATP. Tảo ưu tiên hấp thụ amoni trước nitrat, giúp xử lý 89% - 93% N-NH4 và 69% - 88% P-PO4 trong nước thải sau 4 đến 6 ngày nuôi cấy.

2. Tại sao Ferrate(VI) vượt trội hơn phèn nhôm trong việc tách tế bào vi tảo? Ferrate sở hữu thế oxy hóa mạnh (+2,20 V) giúp bất hoạt tế bào và thủy phân tạo Fe(OH)3 keo tụ hiệu quả ở liều lượng 12 mgFe/L (hiệu suất 84% - 97%), trong khi phèn nhôm cần liều lượng cao 15 - 20 mgAl/L, sinh nhiều bùn và tiềm ẩn độc tính.

3. Giá trị pH tối ưu cho quá trình keo tụ vi tảo bằng Ferrate là bao nhiêu? Nghiên cứu trên dải pH từ 5 đến 9 chứng minh pH 8,0 là giá trị tối ưu nhất. Tại pH 8,0, các phức chất hydroxit sắt mang điện tích dương hình thành dồi dào, giúp trung hòa hoàn hảo màng tế bào tảo Chlorella vulgaris và lắng nhanh trong 30 phút.

4. Dung dịch Ferrate tự điều chế có thể lưu trữ và bảo quản trong bao lâu? Dung dịch Ferrate nồng độ 40 - 60 mM bảo quản lạnh ở 10°C duy trì hoạt tính tốt trong 10 ngày. Khi kết tinh thành bột có độ tinh khiết 97% - 98%, hợp chất có thể lưu trữ trong bình hút ẩm ở nhiệt độ phòng lên đến 3 tháng.

5. Sinh khối tảo thu hồi bằng Ferrate có an toàn để tái sử dụng không? Sinh khối vi tảo thu hồi sau keo tụ bằng Ferrate rất an toàn do sắt Fe(III) không gây độc tính. Nguồn sinh khối này có thể tái sử dụng trực tiếp làm phân bón sinh học vi lượng hoặc chiết xuất lipid sản xuất biodiesel theo mô hình kinh tế tuần hoàn.

Kết luận

• Xác lập tốc độ sinh trưởng đặc thù của vi tảo Chlorella vulgaris đạt 0,346 ngày⁻¹ trong nước thải sinh hoạt, cao hơn 50,4% so với môi trường F/2.
• Chứng minh hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng vượt trội đạt 89% - 93% N-NH4, 64% - 76% N-NO3 và 69% - 88% P-PO4.
• Làm chủ quy trình điều chế muối kali ferrate K2FeO4 tinh khiết 97% - 98% bằng phương pháp oxy hóa ướt thân thiện môi trường.
• Xác định điều kiện keo tụ tối ưu tại pH 8,0 và liều lượng 12 mgFe/L, đạt hiệu suất tách tảo 84% - 97%, giảm 30% lượng bùn so với phèn nhôm.
• Hoàn thiện mô hình công nghệ kết hợp xử lý sinh học bằng vi tảo và keo tụ xanh, mở ra giải pháp xử lý nước thải đô thị bền vững.

Đóng góp cốt lõi của luận văn là hoàn thiện giải pháp xanh khép kín từ loại bỏ chất ô nhiễm đến thu hồi sinh khối an toàn. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2024 – 2025 cần mở rộng thử nghiệm hệ thống pilot quy mô 50 – 100 m³/ngày tại các nhà máy xử lý nước thải. Hãy tham khảo toàn văn luận văn tại Thư viện Đại học Bách Khoa TP.HCM để ứng dụng công nghệ tiên tiến này vào thực tế ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, vi tảo đóng vai trò quan trọng trong xử lý nƣớc thải. Vi tảo phát triển nhờ ánh sáng mặt trời nên làm giảm năng lƣợng đầu vào và cùng với việc sử dụng CO2 để tăng trƣởng của quá trình quang hợp nên giảm đƣợc một lƣợng khí thải gây hiệu ứng nhà kính liên quan đến quá trình tái sử dụng nƣớc thải. Khi sử dụng công nghệ vi tảo còn mang lại khối lƣợng sinh khối tảo có giá trị, có thể sử dụng cho nhiên liệu sinh học, sản xuất phân sinh học [1]. Các hệ thống xử lý nƣớc thải bằng vi tảo sử dụng ao tảo tải cao (high rate alage pond – HRAP) đơn giản, ổn định và hoạt động tốt hơn các phƣơng pháp khác nhƣ hệ thống bùn hoạt tính hoặc phân hủy yếm khí.

Công nghệ vi tảo còn đóng vai trò quan trọng cho việc phát triển bền vững của nông nghiệp đó là phân bón sinh học từ vi tảo cung cấp các chất dinh dƣỡng cao cho cây trồng [2]. Bên cạnh những ƣu điểm trên thì công nghệ vi tảo lại bị cản trở bởi chi phí cao để loại bỏ tảo trƣớc khi xả thải vào môi trƣờng cũng nhƣ là chi phí cho việc thu hoạch vi tảo. là loại vi tảo phổ biến đƣợc dùng trong xử lý nƣớc thải do có khả năng tồn tại cao trong môi trƣờng bị ô nhiễm [3]. Do đó, phƣơng pháp để loại bỏ vi tảo sau quy trình xử lý nƣớc thải là rất quan trọng để tránh việc mật độ tảo cao trong môi trƣờng nƣớc cùng với nƣớc thải chƣa qua xử lý giàu chất hữu cơ, đặc biệt là nitơ và photpho sẽ gây nên hiện tƣợng tảo nở hoa.

Tảo nở hoa là hiện tƣợng tảo phát triển với mức độ dày đặc, làm tăng độ màu, độ đục, làm giảm oxy trong môi trƣờng nƣớc, gây mùi khó chịu [4]. Ngoài ra, khi tảo chết đi sẽ do vi khuẩn phân huỷ hay do tác động hoá học đều tiêu hao một lƣợng oxy đáng kể và thải ra các khí độc cho các sinh vật sống trong môi trƣờng nƣớc, gây hại cho những quần xã sinh vật sống trên hoặc gần đáy biển. Không những thế, với kích thƣớc nhỏ nên tảo còn gây tắc nghẽn, một số loại tảo có thể đi qua màng lọc dẫn tới làm giảm chất lƣợng nguồn nƣớc. Phƣơng pháp thƣờng dùng để tách tảo có thể đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp tuyển nổi, lọc và keo tụ - tạo bông.

Phƣơng pháp tuyển nổi thì đòi hỏi chi phí cao, công nghệ lọc chỉ thực sự đƣợc dùng khi thu hồi đối với các giống tảo có kích thƣớc lớn nhƣ Spirulina sp. Quá trình ép chi phí thấp thì không đƣợc dùng để thu hoạch các loài vi tảo có kích thƣớc nhỏ nhƣ Chlorella sp. Quá trình keo tụ - tạo bông 1 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 đƣợc xem là phƣơng pháp thu hồi sinh khối tảo tốt với chi phí hợp lý. Quá trình này chủ yếu dựa vào việc sử dụng các hóa chất có khả năng keo dính đƣợc các tế bào tảo đơn lẻ.

Trong khi keo tụ sẽ trung hòa hoặc đảo ngƣợc điện tích giữa các tế bào tảo, thì đông tụ sẽ thúc đẩy quá trình kết dính các tế bào bằng cách tạo liên kết với vi tảo đã trung hòa. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đƣợc tiến hành cho đến nay chủ yếu đánh giá tiềm năng của phèn nhôm hoặc các muối sắt để loại bỏ vi tảo. Ngày nay, ferrate đƣợc biết đến là một chất thân thiện với môi trƣờng vì không tạo ra sản phẩm phụ nhƣ THM, HAA, vừa là chất có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ, vừa có khả năng khử trùng. Đồng thời, ferrate còn có khả năng keo tụ tốt và dễ kiểm soát.

Từ những lý do trên, đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng bằng tảo Chlorella vulgaris và loại bỏ tảo bằng ferrate” đƣợc tiến hành nhằm đánh giá khả năng loại bỏ tế bào tảo của ferrate là cần thiết.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Giống tảo Chlorella vulgaris đƣợc lấy tại Khoa Công nghệ Sinh học, Trƣờng Đại Học Khoa học Tự Nhiên TP.Hồ Chí Minh và đƣợc nuôi cấy tăng trƣởng tại phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh xử lý chất thải bậc cao sử dụng môi trƣờng F/2 với nhiệt độ phòng 25oC, ánh sáng tự nhiên. - Phạm vi nghiên cứu: Loại bỏ tế bào tảo bằng keo tụ với ferrate.3 Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát hiệu quả loại bỏ tế bào tảo trong nƣớc thải bằng phƣơng pháp keo tụ với ferrate và hoàn thiện công nghệ xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học hiếu khí kết hợp tảo.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Xác định hiệu quả loại bỏ tế bào tảo bằng ferrate.2 Ý nghĩa thực tiễn - Hoàn thiện công nghệ xử lý chất dinh dƣỡng trong nƣớc thải bằng tảo Chlorella vulgaris. - Ứng dụng ferrate loại bỏ tế bào tảo có mật độ cao. - Xử lý nƣớc thải chứa một số loại tảo có đặc tính nhƣ Chlorella vulgaris.

2 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về Chlorella vulgaris 2.1 Phân loại và tên khoa học Giới (regnum): Thực vật Ngành (division): Chlorophyta Lớp (class): Trebouxiophyceae Bộ (ordo): Chlorellales Họ (familia): Chlorellaceae Chi (genus): Chlorella Loài (species): Chlorella vulgaris [5] 2.2 Đặc điểm của Chlorella vulgaris Chlorella vulgaris là một chi của tảo lục đơn bào (vi tảo), thuộc ngành Chlorophyta, tồn tại đƣợc trong môi trƣờng cả nƣớc lợ và nƣớc mặn cũng nhƣ là trong điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt [6]. vulgaris có dạng hình cầu, đƣờng kính khoảng 2 – 10 µm, không có tiên mao và không có khả năng di chuyển chủ động [7]. Mỗi tế bào có cấu trúc gồm nhân thật, hạch tạo bột, lục lạp và ti thể với vách tế bào chủ yếu là cellulose bao bọc. vulgaris có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll-a và b trong lục lạp.

vulgaris có khả năng kết hợp quang tự dƣỡng và dị dƣỡng đƣợc gọi là tạp dƣỡng. Thông qua quá trình quang hợp C. vulgaris phát triển nhanh chóng chỉ cần lƣợng khí carbon dioxide, nƣớc và lƣợng nhỏ chất khoáng, chất hữu cơ (N, P), biến đổi năng lƣợng ánh sáng mặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để nó sinh trƣởng và phát triển [8]. Đối với các loại vi tảo để đạt đƣợc sinh khối cao nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ, ánh sáng cho hệ thống nuôi kín hoặc mở.

Sự phát triển của vi tảo đạt cao nhất khi nhiệt độ từ 25oC đến 30oC. Trong đó, nhiệt độ tối ƣu của phần lớn tảo là 25oC. Cùng với nhiệt độ thì ánh sáng và pH là hai nhân tố quan trọng ảnh hƣởng đến quá trình quang hợp của tảo. Tảo Chlorella sp.

có khả năng tăng trƣởng với khoảng pH rộng từ 4 đến 10 và đạt sinh khối cao nhất tại pH 9 – 10 [9]. Theo nghiên cứu của Qitao Gong cùng cộng sự [10] với cƣờng độ ánh sáng 3960 lux và không kiểm soát pH thì mật độ tế bào tảo C. vulgaris đạt giá trị cao nhất. Với pH 10 và cƣờng độ chiếu sáng 7920 lux thì tảo C.

vulgaris đạt mật độ tế bào cao nhất. 3 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 Ngoài ra, C. vulgaris còn sử dụng carbon, nitơ, photpho trong nƣớc thải để tăng trƣởng. Carbon cần thiết cho sự quang hợp và tăng trƣởng của tảo.

Đối với vi tảo tự dƣỡng sẽ cố định carbon dùng cho hô hấp, sử dụng nhƣ một nguồn năng lƣợng hoặc nguyên liệu cho sự tăng trƣởng. Chúng sử dụng carbon vô cơ để thực hiện quang hợp. Carbon tồn tại ở ba dạng: CO2, carbonat ( , bicarbonat ( cho tăng trƣởng của vi tảo tự dƣỡng và ở dạng acetate hoặc glucose cho sự phát triển của vi tảo dị dƣỡng. Ngoài ra, trong môi trƣờng nƣớc, CO2 có thể tồn tại ở bất kì các dạng nêu trên phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và thành phần dinh dƣỡng theo phản ứng sau: Khi pH tăng, carbonat ( tăng trong khi phân tử CO2 và bicarbonat ( giảm [11].

Kết quả nghiên cứu của Bio cùng cộng sự [12] cho thấy rằng với tỉ lệ CO2/O2 là 2% (tốc độ sục khí + CO2 là 200L/h) và tại 30oC thì C. vulgaris đạt sinh khối cao hơn khi nhiệt độ đạt 25oC. Khi nhiệt độ đạt 35oC thì lƣu lƣợng khí CO2 thấp hơn nhiệt độ ở 30oC dẫn tới nồng độ bicarbonate ( ) thấp hơn. Điều này chứng tỏ rằng khả năng hòa tan của CO2 giảm khi nhiệt độ tăng làm cho quá trình quang hợp và sản xuất sinh khối giảm ở 35oC.

Còn đối với vi tảo dị dƣỡng sẽ sử dụng nguồn hữu cơ nhƣ glucose, axit hữu cơ đơn giản, và với vi tảo tạp dƣỡng thì sẽ sử dụng đồng thời cả hai dạng trên [13]. Bên cạnh đó, nitơ là chất dinh dƣỡng quan trọng cần thiết cho sự phát triển của tất cả các loài sinh vật. Nitơ hữu cơ nhƣ peptit, protein, enzyme, chlorophyll, phân tử chuyển năng lƣợng (ADP, ATP) và các vật liệu di truyền (RNA, DNA) có nguồn gốc từ nitơ vô cơ bao gồm nitrat ( ), nitrit ( ), axit nitric (HNO3), amoni ( ), amonia (NH3) và khí N2. Vi tảo đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ thông qua quá trình đồng hóa đƣợc thể hiện ở hình 2.1: Sơ đồ thể hiện quá trình đồng hóa nitơ ở tảo [13] 4 Luận văn Thạc sĩ Tháng 12/2016 Quá trình đồng hóa diễn ra ở các loại tảo có nhân, nitơ vô cơ ở dạng nitrat, nitrit và amoni.1 , sự chuyển hóa của nitơ vô cơ diễn ra ở màng tế bào với quá trình oxy hóa khử nitơ và tổng hợp amoni thành axit amin.

Quá trình chuyển hóa nitrat và nitrit đều cần có reductase. Khử nitrat đƣợc tạo ra thông qua giảm NADH (adenine nictinamide dinucleotide) để cho 2 electron làm cho nitrat thành nitrit. Nitrit tạo thành amoni qua quá trình khử nitrit và ferredoxin (Fd) để trao đổi tổng cộng 6 electron. Nhƣ vật, tất cả nitơ vô cơ khử thành amoni trƣớc khi tổng hợp thành axit amin trong nội bào.

Cuối cùng, glutamate (Glu) và ATP (adenosine triphosphate) đƣợc dùng để tổng hợp amoni thành glutamine axit amin. Do đó, amoni là phản ứng oxy hóa khử không liên quan đến sự đồng hóa của tảo và vì vậy đòi hỏi ít năng lƣợng hơn. Nói chung, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tảo có xu hƣớng sử dụng amoni hơn nitrat và việc sử dụng nitrat không diễn ra cho đến khi amoni đƣợc sử dụng hết. Chính vì vậy, nƣớc thải có nồng độ amoni cao đƣợc sử dụng để nuôi tảo [13, 14].