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].
