Luận văn 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

ảo Chlorella vulgaris còn có tiềm năng trong xử lý sinh học nước thải công nghiệp dệt nhuộm với khả năng loại bỏ màu dao động từ 41,8 đến 50%, hiệu suất loại bỏ một số chất ô nhiễm như NH4+-N đạt từ 44,4 đến 45,45%, PO43--P đạt từ 33,1% đến 33,3% và COD đạt từ 38,3% đến 62,3% trong 10 ngày thí nghiệm trên các ao mương nuôi tảo tốc độ cao (HARP) [96]. Kết quả nghiên cứu của El-Kassas và cộng sự (2014) cũng đã chứng minh khả năng loại bỏ màu và COD khi nuôi cấy Chlorella vulgaris trong nước thải dệt nhuộm với hiệu quả xử lý lần lượt đạt trên 69,9% và 75,68% [67]. 23 Nghiên cứu của Asadi và cộng sự (2019) khi sử dụng vi tảo Chlorella sorokiniana pa.91 và Chlorella vulgaris để nuôi cấy, sản xuất sinh khối cũng như loại bỏ chất dinh dưỡng trong nước thải nhà máy chế biến sữa ở tỉnh Manzandaran (Iran). Theo kết quả nghiên cứu, lượng sinh khối của Chorella vulgaris, Chlorella sorokinia pa.91 thu được lần lượt là 1,843 g/L và 1,766 g/L trong điều kiện lý tưởng nhất khi nhiệt độ ở mức 25oC và 28oC và cường độ ánh sáng là 7500 lux; hiệu suất loại bỏ amoniac, nitrat, phốtphát và nhu cầu oxy hóa hoá học đối với hai loài vi tảo này lần lượt là 91,28±3,36%, 94,46±1,94%, 96,97±4,55%, 90,91±9,09%, 89,68±3,575%, 84,92±2,38% và 91,61±2,055%, 89,34±1,135% [68]. 1.4. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI KẾT HỢP NUÔI CẤY TẢO Hệ thống xử lý nước thải kết hợp nuôi cấy tảo thường được sử dụng phổ biến nhất là ao ổn định chất thải (Waste stabilization pond systems – WSP) và ao nuôi tảo tốc độ cao (HRAP). WSP tương tự như ao oxy hóa thông thường có độ sâu từ 1-3m sử dụng để xử lý nước thải chưa qua xử lý bằng việc kết hợp quá trình vi tảo và vi khuẩn. Trong những ao oxy hóa này, chất thải rắn được lắng ở đáy – nơi có các vi khuẩn kị khí hoạt động và giải phóng khí CO2. Các vi khuẩn hiếu khí hoạt động gần bề mặt, phân hủy tạm thời các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản sau đó đồng hóa và sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng cho sự phát triển tế bào. Vi tảo sử dụng nguồn CO2 mà vi khuẩn tạo ra cho sự sinh trưởng và phát triển đồng thời cung cấp oxy cho các vi khuẩn hiếu khí. Hoạt động của ao nuôi ổn định phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, tốc độ gió, cường độ ánh sáng [69]. WSP thường được sử dụng rộng rãi do sự đơn giản trong vận hành, thiết kế và chi phí hoạt động thấp [70, 71]. Ngoài ra, ao ổn định chất thải đặc biệt phù hợp với các nước ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, bởi vì lượng mặt trời lớn hơn và nhiệt độ cao hơn góp phần loại bỏ chất thải hiệu quả hơn. Hiện nay, WSP là phương pháp chọn lựa đầu tiên để xử lý nước thải ở nhiều nơi trên thế giới. Ở Châu Âu, WSP được sử dụng rộng rãi cho các cộng đồng nông thôn nhỏ (những nơi có mật độ dân 24 số khoảng 2000 người dân). Nước thải từ các ao này thường được sử dụng trong nông nghiệp [68]. Nhược điểm của WSP thường tạo ra bùn thải, một phần sinh khối tảo thu được bị lắng xuống đáy và năng suất tảo thu được không cao. Hệ thống ao nuôi tảo tốc độ cao (High rate algal ponds – HRAPs) thường được xây dựng theo dạng hình tròn, dạng đường đua và đặc trưng bởi độ sâu nông từ 30-50 cm. Trong ao này, vi khuẩn dị dưỡng và vi tảo quang hợp kết hợp cùng nhau để làm sạch nước thải mà còn tạo sinh khối tảo tối đa dựa vào nguyên lý kéo dài pha quang hợp và rút ngắn pha hô hấp. Khi đó, sinh khối vi tảo được tăng lên đáng kể đồng nghĩa với việc loại bỏ chất dinh dưỡng (N, P) trong thời gian ngắn [71, 72]. Ao nông kết hợp sử dụng bánh khuấy trộn của hệ thống nhằm mục đích cung cấp ánh sáng tốt hơn cho quá trình quang hợp của vi tảo, do đó tối ưu hóa sự phát triển của chúng, ngăn chặn sinh khối lắng. Trong quá trình quang hợp, vi tảo giải phóng oxi và được vi khuẩn hiếu khí sử dụng để loại bỏ BOD trong nước thải [71]. Sản phẩm vi tảo thu được từ phương pháp xử lý này có thể được sử dụng để làm thức ăn cho gia súc, phân bón cây trồng hoặc nhiên liệu sinh học [73]. Bên cạnh đó, so với ao nuôi tảo thông thường, hệ thống HARPs giúp loại bỏ mùi hôi và sinh vật gây bệnh [71]. Ở khu vực Đông Nam Á, việc sản xuất vi tảo Chlorella spp. được thực hiện trong các ao nuôi tảo tốc độ cao dạng hình tròn có trục trung tâm. Những ao nuôi tảo này thường được xây dựng với độ sâu 25-30 cm, đường kính lên đến 45 m và việc khuấy trộn được thực hiện bằng một trục quay. Ngoài ra, do độ hòa tan thấp của CO2 trong khí quyển, CO2 được bổ sung vào trong nước qua các hệ thống sục khí để làm tăng năng suất sinh khối tảo [70]. 25 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Nguồn nước thải đô thị: Đặc điểm: Quận Cầu Giấy có diện tích 12.04 km2 với dân số tính đến 01/2018 là 269.637 người [74]. Trên địa bàn quận (khu vực dọc theo sông Tô Lịch (thuộc phường Nghĩa Tân)) không có khu chế xuất, bệnh viện mà chỉ có trường học, khu dân cư nên nước thải chủ yếu thải ra sông là nước thải sinh hoạt, nước bể tự hoại, nước thải nhà hàng. Nước thải được lấy trực tiếp tại điểm cuối cống thải (vĩ độ 21o1’35”, kinh độ 105o47’52”) trước khi đổ vào sông Tô Lịch (chân cầu Yên Hòa, phường Nghĩa Tân, quận Cầu Giấy, Hà Nội). Nguồn tảo giống: Chlorella sp. sử dụng trong nghiên cứu này được phân lập từ nước hồ Ngọc Khánh, Hà Nội bởi phòng Thủy sinh học Môi trường (Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Vi tảo này được đưa vào nghiên cứu thử nghiệm vì chủng vi tảo này có nguồn gốc từ nước hồ Ngọc Khánh, là nơi tiếp nhận nhiều nguồn nước thải sinh hoạt khác nhau của khu dân cư, nhà hàng và trường học tương tự như sông Tô Lịch. Vì vậy, môi trường nước thải đô thị Quận Cầu Giấy sẽ là thuận lợi cho Chlorella sp. phát triển. Hình 2.1: Chlorella phân lập từ hồ Ngọc Khánh, Hà Nội (Chlorella sp.) (Nguồn: Phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường) 26 2.2. NGUYÊN VẬT LIỆU Nguyên vật liệu gồm hóa chất và dụng cụ thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu này được trình bày trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2 sau: Bảng 2.1: Danh mục hóa chất STT Tên hóa chất Công thức phân tử Độ tinh khiết (%) Xuất xứ Hóa chất nuôi tảo 1 Sodium nitrate NaNO3 95 Trung Quốc 2 Dipotassium phosphate K2HPO4 95 Trung Quốc 3 Magnesium sulfate heptahydrate MgSO4·7H2O 95 Trung Quốc 4 Calcium chloride dihydrate CaCl2·2H2O 95 Trung Quốc 5 Citric acid C6H8O7 95 Trung Quốc 6 Ferric ammonium citrate (NH4)5[Fe(C6H4O7)2] 95 Trung Quốc 7 Disodium ethylenediaminetetraacetate dihydrate Na2EDTA·2H2O 95 Trung Quốc 8 Sodium carbonate Na2CO3 95 Trung Quốc 9 Boric acid H3BO3 98 Trung Quốc 10 Manganese (II) chloride tetrahydrate MnCl2·4H2O 98 Trung Quốc 11 Zinc sulfate heptahydrate ZnSO4·7H2O 98 Trung Quốc 27 12 Sodium molybdate Na2MoO4·2H2O 98 Trung Quốc 13 Copper sulfate pentahydrate CuSO4·5H2O 98 Trung Quốc 14 Cobalt (II) nitrate hexahydrate Co(NO3)2·6H2O 98 Trung Quốc Hóa chất phân tích 15 Ammonium chloride NH4Cl 98 Sigma 16 Potassium iodide KI 98 Sigma 17 Mercury (II) iodide HgI2 98 Sigma 18 Sodium hydroxide NaOH 98 Sigma 19 Potassium sodium tartrate tetrahydrate KNaC4H4O6·4H2O 98 Sigma 20 Ethylenediaminetetraacetic acid C10H16N2O8 98 Sigma 21 Sulfanilic acid C6H7NO3S 98 Sigma 22 1-Naphthylamine C10H9N 98 Sigma 23 Sodium acetate C2H3NaO2 98 Sigma 24 Hydrochloric acid HCl 98 Sigma 25 Sodium nitrite NaNO2 98 Sigma 26 Di-ionized water H2O Sigma 28 27 Sodium salicylate C7H5NaO3 98 Sigma 28 Acetic acid CH3COOH 98 Sigma 29 Sulfuric acid H2SO4 98 Sigma 30 Potassium antimony (III) tartrate hydrate K(SbO)C4H4O6·0.5H2O 98 Sigma 31 Ammonium molybdate tetrahydrate (NH4)6Mo7O24·4 H2O 98 Sigma 32 Potassium dihydrogen phosphate KH2PO4 98 Sigma 33 Potassium dichromate K2Cr2O7 98 Sigma 34 Silver sulfate AgSO4 98 Sigma 29 Bảng 2.2: Danh mục dụng cụ - thiết bị thí nghiệm STT Tên thiết bị Model /Thông số kĩ thuật Hãng 1 Cân phân tích JF2204 Labex – Anh 2 Máy đo pH SG23 Mettler-Toledo, LLC, Thụy sỹ 3 Máy ly tâm Z206A Hermle, Đức 4 Máy siêu âm Ultrasonic Cleaner Anh 5 Máy Voltex ZX4 Velp, Ý 6 Nồi hấp tiệt trùng LS-75LJ Nanbei, Trung Quốc 7 Tủ sấy và tủ ấm Heraeus, Đức 8 Kính hiển vi BX51 OLYMPUS, Nhật Bản 9 Máy đo quang UV-Vis U-2900/2910 Shimazdu, Nhật Bản 7 Máy đo cường độ ánh sáng TM-204 Tenmars Electronics CO., Ltd, Đài Loan 8 Đèn LED Rạng Đông, Việt Nam 9 Máy sục khí HP-400 Atman, Trung Quốc 30 10 Van điều chỉnh lưu lượng khí Việt Nam 11 Bình thủy tinh dùng để nuôi cấy 1 L; 2 L; 3,5 L; 5 L SIMAX, Germany 12 Đầu lọc khí 0,22 μm Trung Quốc 13 Ống dây Silicon Trung Quốc 14 Giấy lọc Advantec Nhật/Đài loan 15 Giấy lọc Whatman GF/C 1,2 μm Anh 16 Ống đong 25 mL, 50mL, 100 mL, 1000 mL Đức 17 Bình định mức 25 mL, 50 mL, 1000 mL Đức 18 Bình nón 50 mL, 250mL Đức 19 Thùng nhựa chữ nhật 50-100 L Việt Nhật Plastics Co., Ltd, Việt Nam 2.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU • Phạm vi không gian: Quy mô phòng thí nghiệm (hệ thí nghiệm 50L và 500L). • Phạm vi thời gian: Từ tháng 03-05/2019 31 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.4.1. Phương pháp tổng hợp và kế thừa tài liệu Thu thập và tham khảo các công bố trong và ngoài nước (bài báo, sách chuyên khảo, báo cáo đề tài, dự án đã được thực hiện) có nội dung liên quan đến đề tài nhằm cập nhật một cách tốt nhất những nghiên cứu tiên tiến liên quan đến lĩnh vực ứng dụng vi tảo trong xử lý nước thải. 2.4.2. Phương pháp lấy mẫu • Mẫu nước thải lấy phân tích: Nước thải được lấy và bảo quản theo TCVN 6663-3:2016 (ISO 5667-3:2012) về chất lượng nước-lấy mẫu; • Mẫu nước thải lấy nuôi tảo: Nước thải được lấy và đựng trong các can nhựa có dung tích 20L, sau đó được vận chuyển ngay về phòng thí nghiệm Phân tích Ứng dụng, Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Nước thải sau khi lấy về được tiến hành lọc bằng vải lọc (NMO, pore size 25 μm, Dong Chau Environmental Construction Co., Ltd, Vietnam) để loại bỏ rác và hạt lơ lửng. Nước thải lọc được định mức vào các hệ thống phản ứng và thực hiện cấy tảo giống ngay sau đó. 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) 32 2.4.3. Phương pháp thực nghiệm Sơ đồ quy trình nghiên cứu được trình bày trong hình sau: Hình 2.3: Sơ đồ quy trình nghiên cứu Nuôi tảo giống trong môi trường BG- 11 trong bình tam giác 500 mL (thể tích 150 mL, ánh sáng 60 μmole E/ m2/s, 150 vòng/phút, nhiệt độ 25-27 oC, 7-10 ngày) Nuôi tảo trong nước thải đô thị trong bình nhựa Việt Nhật (thể tích 5 L, ánh sáng 60 μmole E/m2/ s, nhiệt độ 25-27 oC, tốc độ xục khí 0,2 vvm, 7-10 ngày) Nuôi tảo trong nước thải đô thị trong thùng nhựa Việt Nhật (thể tích 50 L, ánh sáng tự nhiên và nhiệt độ tự nhiên, 10 ngày) Nuôi tảo trong nước thải đô thị trong hệ nuôi mở 500 L (thể tích 500 L, ánh sáng tự nhiên và nhiệt độ tự nhiên, 14 ngày) + Lấy mẫu nước thải + Phân tích đặc tính nước thải + Thu hoạch tảo + Đánh giá năng suất sinh khối tảo + Đánh giá đặc tính nước thải sau xử lý 33 • Tiền nuôi cấy vi tảo: - Nguồn Chlorella sp. được nuôi cấy duy trì trong các bình tam giác 250 mL với thể tích làm việc 150 mL. Nhiệt độ trong quá trình nuôi cấy được duy trì ở mức 25 – 27oC. Nguồn sáng là 2 bóng đèn huỳnh quang với cường độ ánh sáng 60 µmol/m2/s, chu kỳ chiếu sáng là 16 giờ sáng/8 giờ tối. Các bình tam giác chứa vi tảo Chlorella sp. được lắc liên tục với tốc độ 150 vòng/phút (Hình 2.4-A) (03/2019). Các hợp chất cần thiết để chuẩn bị cho 1L môi trường BG-11 (Blue –Green Medium) - tiền nuôi cấy vi tảo Chlorella sp. được trình bày ở bảng sau: Bảng 2.3: Thành phần môi trường nhân tạo BG-11 [75] Thành phần Đơn vị (g/L) NaNO3 1,5 K2HPO4 0,04 MgSO4·7H2O 0,075 CaCl2·2H2O 0,036 Citric acid 0,006 Ferric ammonium citrate 0,006 Na2EDTA·2H2O 0,001 Na2CO3 0,02 Hỗn hợp vi lượng-kim loại (mix A5) 1 mL/L Hỗn hợp Mix A5 bao gồm: H3BO3, 2,86 g/L; MnCl2·4H2O, 1,81 g/L; ZnSO4·7H2O, 0,222 g/L; Na2MoO4·2H2O, 0,39 g/L; CuSO4·5H2O, 0,079 g/L; Co(NO3)2·6H2O, 0,049 g/L. - Hút 50 mL vi tảo Chlorella sp. từ bình tảo giống (bình tam giác 250 mL) cấy chuyển sang bình tam giác (loại bình 500 mL) đã chứa 150 mL môi trường BG-11, sau đó cố định trên máy lắc (tốc độ lắc là 150 rpm). Mẫu vi tảo 34 sau khi nuôi cấy được chiếu sáng liên tục bằng đèn LED có cường độ 60 µmol/m2/s với nhiệt độ 25 – 27oC trong vòng một tuần đến khi đạt OD ≥ 0,4 (03/2019). - Vi tảo Chlorella sp. trong bình 500 mL sau thời gian nuôi cấy nhất định được chuyển sang bình nhựa trong suốt (loại 10 kg - Việt Nhật Plastics Co., Ltd) chứa 5 L nước thải đô thị đã lọc (không bổ sung dinh dưỡng) và tiến hành nuôi sinh trưởng dưới ánh sáng 60 µmol/m2/s (chu kỳ chiếu sáng 16 giờ/8 giờ, cấp bởi hệ đèn LED) ở nhiệt độ phòng, tốc độ sục khí là 0,2 vvm với 1 đầu sục bằng máy sục khí bể cá (HP-400, Atman, Trung Quốc). Thí nghiệm được tiến hành song song trên 2 hệ phản ứng từ 7 đến 10 ngày cho đến khi mật độ quang (OD) ≥ 0,6 (Hình 2.4-B) (03/2019). •Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nước thải đô thị của vi tảo Chlorella sp. quy mô 50L - Tiếp theo, 5 L vi tảo nuôi cấy trong nước thải trên được cấy sang bể hình chữ nhật (loại 55 L, dài × rộng × cao = 57,7 × 41,8 × 33 cm) chứa 45 L nước thải và tiến hành sục khí ở tốc độ 0,2 vvm và với 2 đầu sục đặt ở 2 góc của bể bằng máy sục khí bể cá (HP-400, Atman, Trung Quốc). Quá trình sinh trưởng của vi tảo Chlorella sp. trong bể 50 L được thực hiện trong nhà kính ngoài trời ở Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hình 2.4-C). Thí nghiệm được tiến hành trên 2 bể song song trong tháng 04/2019. 35 - Hình 2.4: Mô hình xử lý nước thải đô thị bằng vi tảo quy mô 50 L Vi tảo Chlorella sp. được nuôi cấy và giữ giống trong các bình 100 mL (A), 250 mL; Nuôi cấy vi tảo Chlorella sp. trong nước thải đô thị ở bình 5 L (B); Xử lý 50 L nước thải đô thị bằng vi tảo Chlorella sp. (C). • Thí nghiệm 2: Đánh giá khả năng xử lý nước thải đô thị của vi tảo Chlorella sp. quy mô 500L. Vi tảo nuôi trong bể 50 L tiếp tục được cấy nước thải trong hệ thống bể dài (2 bể dài – raceways) chứa 500 L nước thải đô thị đã lọc và không sử dụng sục khí. Mực nước thải ở trong bể tối đa là 20-25 cm để đảm bảo ánh sáng được phân bố và duy trì hiệu suất quang hợp tương đối đều cho vi tảo ở tầng mặt và tầng đáy. Bánh khuấy được đặt ở giữa bể để tạo ra vận tốc dòng nước (0,25 m/s). Sự phát triển của vi tảo Chlorella sp. được đảm bảo qua việc khuấy trộn này, các tế bào vi tảo thường xuyên tiếp xúc với ánh sáng, ngăn ngừa sự lắng đọng của vi tảo/vi khuẩn và tăng cường sự khuếch tán các chất (B) (C) 36 dinh dưỡng qua lớp biên xung quanh các tế bào. Quá trình nuôi được thực hiện trong nhà kính ngoài trời ở Viện Hóa học. Thí nghiệm được tiến hành trên 2 hệ thống song song trong tháng 05/2019. Kích thước và các yếu tố vận hành hệ thống bao gồm (Hình 2.3): • Tên: Hệ thống bể dài • Kích thước: dài × rộng × cao = 4 m × 1 m × 0,5 m • Thể tích làm việc tối đa: 1,0 m3 • Thành phần: Khung làm bằng inox 304 (loại ống xuông 20×20), bao đáy và xung quanh là inox 304 dạng tấm có độ dày 1,8 mm, tấm phân dòng cũng làm bằng khung inox 304 (loại ống vuông 20×20) hàn với inox 304 dạng tấm dày 1,8 mm. Cánh khuấy trục quay bằng inox 304 dày 2 mm, gồm 6 cánh đường kính 0,9 m và rộng 0,45 m. Motor của Panasonic loại 1/160 có công suất 60W và tốc độ quay 10 vòng/phút. Motor Bánh khuấy Thanh phân dòng 4 m 3 m 1 m (A) 37 Hình 2.5: Mô hình xử lý nước thải đô thị bằng vi tảo quy mô 500 L. Mô hình 2D hệ thống mương mở nuôi vi tảo Chlorella sp. (A), Cấy tảo từ hệ 50 L sang hệ 500 L (B), Hệ thống thực 500 L nuôi vi tảo Chlorella sp. (C). Ánh sáng được đo hàng ngày tại 3 thời điểm 8:00 -10:00h sáng, 12:00- 14:00h trưa và 16:00-17:00h chiều. Tại các khoảng thời gian tương tự trong ngày tại các đợt thí nghiệm (12:00-14:00h, 02 ngày/lần), 300-500 mL hỗn hợp vi tảo-nước thải được lấy ra; trong đó một lượng nhỏ thể tích (50 mL) sử dụng để phân tích các chi tiêu OD, chlorophyll-a bởi máy đo quang phổ UV-Vis 2450 Shimadzu (Nhật Bản). Bên cạnh đó, hỗn hợp vi tảo-nước thải được lấy vào ống effendorf (2 mL) có bổ sung các hóa chất bảo quản mẫu (formandehyde 4%), mục đích xác định mật độ tế bào Chlorella sp. trên kính hiển vi OLYMPUS BX51 (Nhật Bản). Hỗn hợp vi tảo-nước thải còn lại được lọc chân không qua giấy lọc 0,45µm. Phần nước lọc được dùng để phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước bao gồm NO3-, NO2-, NH4+, PO43-, COD bởi máy đo quang phổ U-2900/2910 (Hitachi, Tokyo, Nhật Bản). Các chỉ tiêu hiện trường như nhiệt độ và pH được đo bằng máy Schott Lab 850 (Đức). (B) (C) 38 2.4.4. Phương pháp phân tích 2.4.4.1. Phương pháp phân tích chất lượng nước Xác định NH4+ (mg/L): Theo TCVN 5988:1995 (ISO 5664:1984) Phương pháp so màu với thuốc thử Nessler. Xác định NO2- (mg/L): Theo TCVN 6178:1996 (ISO 6777:1984) – Chất lượng nước – Xác định nitrit – Phương pháp trắc phổ hấp thụ phân tử. Xác định NO3 - (mg/L): Theo TCVN 6180:1996 (ISO 7890/3:1988) – Chất lượng nước – Xác định Nitrat – Phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic. Xác định PO43- (mg/L): Theo TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004) – Chất lượng nước – Xác định phốtpho – Phương pháp trắc phổ dùng amoni molipdat. Xác định nhu cầu oxi hóa hóa học COD (mg/L): Theo TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989); phương pháp Kalidicromat. 2.4.4.2. Phương pháp xác định mật độ vi tảo Các dụng cụ để xác định mật độ vi tảo bao gồm: Kính hiển vi OLYMPUS BX51 (Nhật Bản), buồng đếm Sedgewick – Rafter (Vương quốc Anh) và lamen. Số lượng tế bào trong 1 mL mẫu được tính theo công thức sau: 310M A h=   Trong đó: M: Mật độ A: Tổng số tế bào trong cả buồng đếm (hay tổng số tế bào trong 1 mL mẫu) h: Hệ số pha loãng Đối với một số loài vi tảo có khả năng chuyển động, trước khi đếm mẫu cần được cố định bằng dung dịch formandehyde 4%. 39 2.4.4.3. Phương pháp xác định nồng độ tổng sinh khối Sinh khối trong hệ phản ứng bao gồm tảo và vi sinh vật. Nồng độ sinh khối được xác định bằng phương pháp trọng lượng theo công thức sau: 1 0m -mC= ×100 V Trong đó: C: là nồng độ sinh khối (g/L) m1 và m0: là khối lượng giấy lọc 0,45 μm (sấy ở 105oC trong 48h) sau và trước khi lọc tảo (g) V: là thể tích hỗn hợp tảo nước thải lấy lọc Mật độ quang của hỗn hợp tảo trong nước thải được đo tại bước sóng 680 nm trên máy đo quang phổ UV-VIS 2450 Shimadzu (Nhật Bản) và được chuyển đổi sang khối lượng khô của sinh khối thông qua hàm số: Csinh khối = 0,5043 × OD680 nm – 0,0268 (R2 = 0,995) (tuyến tính trong khoảng OD = 0,054 – 1,2) 2.4.4.4. Phương pháp xác định hàm lượng Chlorophyll-a và b Chlorophyll (Chất diệp lục) trong thực vật là rất quan trọng cho sự tồn tại của chúng trong tự nhiên, cần thiết cho quá trình quang hợp. Chlorophyll hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó chuyển thành năng lượng hóa học và thường được tìm thấy trong các loài vi tảo quang hợp [76]. Vì vậy, hàm lượng sắc tố chlorophyll-a và b được xác định theo phương pháp đo quang phổ ở các bước sóng tương ứng được mô tả theo công thức của Lorezen (1967). Để xác định hàm lượng sắc tố chlorophyll-a và b, 20 mL mẫu (hỗn hợp vi tảo-nước thải) tại các thời điểm lấy mẫu thí nghiệm được lọc bằng giấy lọc sợi thủy tinh 47 mm GF/C sau đó đem chiết bằng axeton (90%). Dung dịch sau khi chiết được đo ở 2 bước sóng 665nm và 750 nm trên máy đo quang phổ UV- VIS 2450 Shimadzu (Nhật Bản). Axít hóa mẫu bằng 2 giọt HCl và đo độ hấp thụ ở 2 bước sóng 665nm và 750 nm trên máy đo quang phổ UV-VIS 2450 Shimadzu (Nhật Bản) một lần nữa. 40 Hàm lượng chlorophyll-a và b được tính theo công thức sau: Chlorophyll -a và b (µg/L) = [26,7 × (Anab – Aab) × Vacetone]/Vmẫu Trong đó: Anab: Mật độ quang của dịch chiết đo tại bước sóng 665nm và 750 nm trước khi xử lý với axit Aab: Mật độ quang của dịch chiết đo tại bước sóng 665nm và 750 nm sau khi xử lý với axit Vacetone: Thể tích aceton xử lý mẫu Vmẫu: Thể tích mẫu lọc (L) 2.4.4.5. Phương pháp đánh giá kết quả • Đặc tính của nước thải sau khi xử lý: Đặc tính của nước thải sau khi xử lý thông qua: QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B): Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt với giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm khi xả ra nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. 41 • Hiệu suất loại bỏ dinh dưỡng: Hiệu suất xử lý được tính theo công thức sau: t 0 C H = (1- )×100 C (4) Trong đó: H: Hiệu suất xử lý dinh dưỡng Co: Nồng độ chất ô nhiễm đo tại thời điểm t0 (ngày) Ct: Nồng độ chất ô nhiễm đo tại thời điểm t (ngày) • Sự sinh trưởng và phát triển của tảo Thông qua đo mật độ tế bào vi tảo, mật độ quang OD và hàm lượng chlorophyll-a. PAC sẽ được thêm vào làm chất trợ lắng, keo vi tảo trong nước thải sau thời gian xử lý ở các hệ thí nghiệm. Hóa chất PAC được thêm vào theo tỷ lệ 0,05g PAC/L hỗn hợp vi tảo-nước thải; sau đó khuấy đều chờ vi tảo lắng, có thể điều chỉnh pH bằng cách thêm NaOH để tăng tốc độ lắng. • Hiệu suất thu hoạch được tính theo công thức: ah h A E = (1- )×100 A Trong đó: E là hiệu suất thu hoạch (%) Ah là nồng độ vi tảo tại thời điểm dừng nuôi trước thu hoạch (g/L) Aah là nồng độ vi tảo sau khi thu hoạch • Năng suất vi tảo theo diện tích bề mặt thiết bị và thời gian nuôi cấy được tính theo công thức: m P= S×t 42 Trong đó: P là năng suất vi tảo tính theo diện tích bề mặt (g/m2/ngày) m là sinh khối khô thu hoạch được (g) S là diện tích bề mặt của thiết bị nuôi (m2) t là thời gian nuôi vi tảo (ngày) 2.4.4.6. Phương pháp xử lý số liệu và trình bày kết quả • Phương pháp xử lý số liệu: Phân tích được thực hiện 2 lần và giá trị trình bày là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn; • Phần mềm sử dụng xử lý số liệu: Ms Excel (2016). 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. ĐẶC TÍNH NƯỚC THẢI SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng PO43--P, NH4+-N cao hơn từ 1,1- 2,4 lần so với giá trị cho phép của QCVN 14:2008/BTNMT (cột B) (PO43--P cao gấp 1,1-1,5 lần; NH4+-N cao gấp 1,9-2,4 lần) về nước thải khi xả ra nguồn tiếp nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Trong khi đó vi tảo có thể hấp thụ lượng lớn nitơ và phốtpho một cách có hiệu quả từ chất thải cho quá trình tăng trưởng của chúng. Theo nghiên cứu của Beuckels và cộng sự (2015), hàm lượng N và P trong sinh khối vi tảo Chlorella dao động trong khoảng 5,0-10,1% và 0,5-1,3% [77]. Các nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng, vi tảo có xu hướng tiêu thụ amoni nhiều hơn nitrat, nitrit do sự tiêu thụ này không đòi hỏi nhiều năng lượng và tiêu thụ nitrat chỉ xảy ra khi amoni được tiêu thụ hoàn toàn [78, 79]. Do đó với nồng độ cao amoni cao (18,59 – 23,70 mg/L) trong nước thải đầu vào của nghiên cứu này có thể coi là một lợi thế cho sự sinh trưởng của tảo. Ngoài ra, tỉ lệ N/P có ảnh hưởng lớn đến việc loại bỏ TN và TP và cho năng suất sinh khối vi tảo với giá trị thay đổi từ 5 đến 30 tùy vào điều kiện sinh thái trong nước thải [62]. Do vậy, tỉ lệ N/P có giá trị dao động từ 2,86-5,22 của nước thải sử dụng trong nghiên cứu này thuộc khoảng phù hợp cho sự phát triển của vi tảo. Vi tảo và các vi sinh vật khác trong nước thải (như nấm, vi khuẩn) hình thành nên sự cộng sinh, ảnh hưởng và thúc đẩy lẫn nhau trong quá trình sống. Vi tảo cung cấp O2 và dinh dưỡng cho vi sinh vật; trong khi đó vi sinh vật cung cấp CO2 và các yếu tố kích thích tăng trưởng thông qua quá trình oxy hóa các chất hữu cơ phức tạp và tiêu thụ các chất khác được sản xuất bởi vi tảo cũng như phân hủy tế bào tảo chết [13, 80]. Như vậy, qua các kết quả phân tích cho thấy, nước thải đô thị chưa qua xử lý tại quận Cầu Giấy (Hà Nội) đáp ứng sinh trưởng và phát triển của vi tảo Chlorella sp. 44 Bảng 3.1: Đặc tính nước thải đầu vào sử dụng trong nghiên cứu Thông số Đơn vị Giá trị QCVN 14:2008 /BTNMT Cột B pH - 7,12-8,30 5 – 9 BOD5 (20 oC) mg/L - 50 COD mg/L 157,24-175,34 - Amoni mg/L 18,59-23,70 10 Nitrat mg/L 0,053-0,088 50 Nitrit mg/L 0,021-0,594 - Phốt phát mg/L 10,94-15,504 10 Tỉ lệ N/P - 2,86-5,22 - QCVN 14:2008/BTNMT: Quy chuẩn Quốc gia về nước thải sinh hoạt; Cột B quy định giá trị tối đa cho phép trong nước thải sinh hoạt khi thải vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. 3.2. DIỄN BIẾN CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG Các thí nghiệm về xử lý nước thải được diễn ra vào mùa hè nên nhiệt độ luôn dao động ở mức cao (>25oC). Cụ thể, đối với quy mô xử lý 50 L, (nhiệt độ nước trong thời gian thí nghiệm duy trì trong khoảng từ 26,0±0,5 - 30,8±0,4oC trong đó nhiệt độ thấp nhất được ghi nhận vào ngày thứ 4 và cao nhất vào ngày thứ 10 của thí