CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
312
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ TỚI SỰ SINH TRƯỞNG VÀ TÍCH TỤ LIPIT TRONG TẢO SCENEDESMUS SP
RESEARCH ON EFFECTS OF FACTORS ON GROWTH AND LIPIT ACCUMULATION IN SCENEDESMUS SP Nguyễn Dũng Trí1,*, Trần Lưu Đạt1, Phạm Thị Thanh Yên2 TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu xử lý sơ bộ nước rỉ
rác sao cho phù
hợp về thành phần dinh dưỡng và các điều kiện sống khác để tích hợp nuôi cấy tả
o
tích tụ lipit và tạo sinh khối tảo làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh họ
c.
Kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện về thành phần dinh dưỡ
ng trong môi
trường nuôi cấy để tảo tạo được sinh khối và tích tụ tối ưu lipit bao gồm hàm lượ
ng
các chất Cacbon, Nito, Photpho lần lượt là 50mg Glucozo/L, 100mg NH4+
10mg PO43-/L với lượng lipit tích tụ tương ứng lần lượt là 43%, 54% và 67%. Kế
t
quả khảo sát chất lượng nước rỉ rác cho thấy nước rỉ rác đã xử lý sơ bộ bằ
ng vôi sau
đó đem pha loãng với nước máy theo tỉ lệ 1:1 là phụ hợp với điều kiện về
thành
phần dinh dưỡng như kết quả nghiên cứu ở trên để tảo tạo được sinh khố
i và tích
tụ tối ưu lipit với 75% lượng lipit tích tụ được. Từ khóa: Vi tảo, nước rỉ rác, nhiên liệu sinh học. ABSTRACT
In this paper, we study the preliminary treatment of leachate to be suitable
in terms of nutritional composition and other living conditions to integrate
lipophilic algal culture and algae biomass as raw materials. for biofuel production.
The research resu
lts show that the conditions on nutrient composition in the
culture medium for algae to create biomass and optimally accumulate lipids,
including the content of Carbon, Nitrogen, and Phosphorus, are 50mg Glucozo/L
and 100mg NH4+/L and 10mg PO43-/L with lip
id accumulation of 43%, 54% and
67%, respectively. The results of the survey on the quality of leachate showed that
the leachate that had been preliminarily treated with lime and then
diluted with
tap water at a ratio of 1:1 was suitable for the conditions of nutrient composition
as the results of the study. The above study allows algae to create biomass and
optimally accumulate lipids with 75% of the accumulated lipids. Keyword: Microalgae, leachate, biofuel. 1Lớp Công nghệ môi trường 01 - K16, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại họ
c
Công nghiệp Hà Nội 2Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội *Email: minhhangle1977@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu năm 2022 khiến phần lớn các khu vực trên thế giới phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt nguồn cung trong khi giá dầu, khí đốt và điện tăng mạnh. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đánh giá cuộc khủng hoảng năng lượng đã tạo ra một bước ngoặt trong lịch sử, thúc đẩy các nguồn năng lượng sạch và hình thành một hệ thống năng lượng bền vững [1]. Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu. Vi tảo hiện đang được biết đến là nguyên liệu nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba lý tưởng vì có thể cung cấp một số loại nhiên liệu sinh học tái tạo khác nhau. Vi tảo được cho là có năng suất dầu cao hơn tới 300 lần để sản xuất dầu diesel sinh học so với cây trồng năng lượng truyền thống trên cùng một diện tích nuôi trồng [2]. Hàm lượng lipid trung bình của vi tảo nằm trong khoảng từ 1 - 70% nhưng trong điều kiện tối ưu hóa, một số loài có thể mang lại 80% dầu theo trọng lượng khô của chúng [3]. Các nguyên tố thiết yếu để nuôi tảo bao gồm nitơ (N), phốt pho (P), sắt (Fe). Và nước thải là môi trường phù hợp nhất về thành phần hóa học và tính chất vật lý so với các môi trường tự nhiên khác. Bên cạnh đó, môi trường sống hiện nay đã và đang bị ảnh hưởng rất nặng nề bởi các nguồn nước thải, một trong số đó chính là nước rỉ rác, các hợp chất độc hại trong nước rỉ rác như các hydrocacbon đa vòng thơm có khả năng gây ung thư, gây đột biến gen. Vì vậy, nước rỉ rác nếu không được xử lý kịp thời có nguy gây ảnh hưởng tới môi trường xung quanh. Như vậy, sử dụng vi tảo vừa để xử lý nước rỉ rác vừa để cung cấp nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học là rất cần thiết. Qua đó đề xuất quy trình nuôi tảo trong nước rỉ rác. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất và dụng cụ Tảo Scenedesmus sp được cung cấp bởi phòng Hóa học xanh - Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nước rỉ rác được lấy từ hồ chứa của bãi rác Lương Sơn - Hòa Bình. Hóa chất sử dụng gồm: Môi trường nuôi cấy Endo (NaNO3 - 3g/L; K2HPO4 - 1,2g/L; MgSO4.7H2O - 1,2g/L; CaCl2.2H2O - 0,03g/L; Ferric ammonium citrate - 0,016g/L; EDTA (Ethylene diamine tetraacetic acid) - 0,0021g/L; Trisodium citrate - 0,2g/L; dung dịch vi lượng - 1mL/L (dung dịch gồm: H3BO3 - 2,86mg/L; MnCl2.4H2O - 1,81mg/L; ZnSO4.7H2O - 0,222mg/L; Na2MoO4.2H2O - 0,021mg/L; CuSO4.5H2O - 0,07mg/L); NH4Cl; glucose.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 313
Dụng cụ gồm: Đèn led, máy đo quang (Genesys 10S UV-VIS), máy sục khí (Boss 9500 - 2012) , máy cất đạm tự động (VELP UDK 159), máy phá mẫu COD (VELP ECO8), cân phân tích 3 số (Sartorius M313 - 1S), máy khử trung (TOMY ES 315), máy ly tâm (Hermel ZZ206A). 2.2. Tiến hành thí nghiệm 2.2.1. Khảo sát chất lượng nước rỉ rác Các phương pháp xác định các chỉ số CODCr, BOD5, T-N, N-NH4+, T-P được thực hiện theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Hàm lượng lipit tổng trong tảo được xác định bằng phương pháp khối lượng theo công thức: 10axitbeotmmC100m
Trong đó: (m1 - m0) - khối lượng lipit thu được trong một thể tích dung dịch chứa tảo nhất định. mt - khối lượng tảo khô thu được trong một thể tích dung dịch chứa tảo nhất định. 2.2.2. Xử lý sơ bộ nước rỉ rác Nước rỉ rác sau khi lấy từ bãi chôn lấy sẽ được sử lý sơ bộ bằng vôi ngay tại nơi lấy sau đó đem về phòng thí nghiệm và tiếp tục xử lý sơ bộ bằng Fenton. Sau đó đem xác định các chỉ số CODCr, BOD5, T-N, N-NH4+, T-P. 2.2.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển và khả năng tích tụ lipit của tảo Nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon (glucozo), Nito (NH4Cl) và photpho (KH2PO4) đến sự phát triển và tích tụ lipit trong tảo. Lấy 200ml tảo giống cho vào các bình thuỷ tinh 2,5 lít, thêm 2 lít môi trường Endo, cho lần lượt chất hữu cơ (glucozo) với nồng độ gulcozo 10mg/l, 50mg/l và 100mg/l vào các bình, sục khí và chiếu sáng (bằng bóng đèn có công suất 20W) liên tục. Mẫu được lấy đi đo mật độ quang OD tại ngày đầu tiên, 3, 6, 9, 12, 15 và đem đi đo lượng lipit tích tụ vào ngày 12. Làm tương tự với các hàm lượng Nito và Photpho với sự thay đổi của nồng độ NH4+ và PO43- trong môi trường nuôi cấy. 2.2.4. Khảo sát sự phát triển và khả năng tích tụ litip của tảo trong nước rỉ rác đã qua xử lý sơ bộ Lấy 200ml tảo giống cho vào các bình nhựa hình ống trụ 3 lít, thêm lần lượt 2 lít nước rỉ rác đã qua xử lý bằng vôi không pha loãng và đã pha loãng với nước máy theo các tỉ lệ 1:1, 1:2 1:3, sục khí và chiếu sáng (bằng bóng đèn có công suất 20W) liên tục. Mẫu được lấy đi đo mật độ quang OD tại ngày đầu tiên 3, 6, 9, 12, 15 và đem đi đo lượng lipit tích tụ vào ngày 12. Làm tương tự với nước rỉ rác đã qua xử lý sơ bộ bằng vôi và Fenton. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả khảo sát chất lượng nước rỉ rác đầu vào và sau khi xử lý sơ bộ Bảng 1. Kết quả phân tích chất lượng nước rỉ rác STT
Thông số Đơn vị Kết quả đo QCVN
40:2011/BTNMT
(B1) QCVN
25:2009/BTNMT
(B2) Nước rỉ rác Xử lý vôi Xử lý Vôi + Fenton
1 pH - 5.8 5,5 - 9 2 TSS mg/L
1127 100 3 COD mg/L
12200
5760 2010 150 300 4 BOD5 mg/L
4120 1980 790 50 50 5 T-N mg/L
528,8 306,4
286,9 40 60 6 NH4+-N
mg/L
332,2 132,6
102,6 10 25 7 T-P mg/L
46 10,14
8,35 6 Kết quả phân tích nước rỉ rác của bãi rác Lương Sơn- Hòa Bình thể hiện trong bảng 1. Nhìn chung hàm lượng các chất đều cao hơn nhiều lần so với cột B2 (QCVN 25:2009/BTNMT). Cụ thể là COD cao gấp 81 lần, BOD5 gấp 82,4 lần, T-N gấp 13,22 lần, N-NH4+ gấp 33,2 lần. Vậy ta có thể thấy rằng mức độ ô nhiễm trong nước rỉ rác đang thuộc mức báo động cần phải có các biện pháp xử lý kịp thời và hiệu quả. 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon đến sự phát triển và khả năng tích tụ lipit của tảo Kết quả khảo sát trong hình 1 và bảng 2 cho thấy hàm lượng Cacbon trong môi trường giao động trong khoảng từ 0 - 50mg/l tảo sẽ sinh trưởng và phát triển bình thường và sinh trưởng tốt trong môi trường có hàm lượng cacbon khoảng 50mg/L và trong môi trường này lượng lipit tảo tích tụ là tốt nhất với 43%. Nếu hàm lượng Cacbon cao quá mức trong môi trường nuôi sẽ dẫn tới ức chế sự sinh trưởng và phát triển của tảo và làm giảm khả năng tích tụ lipit trong tảo. Hình 1. Đồ thị biểu diễn sự phát triển của tảo trong môi trường có điều chỉnh hàm lượng Cacbon Bảng 2. Bảng khảo sát lượng lipit tích tụ được trong môi trường có điều chỉnh hàm lượng Cacbon STT Tên mẫu Hàm lượng lipit (%) 1 M1 (0 mg glucozo/L) 36 2 M2 (10 mg glucozo/L) 38 3 M3 (50 mg glucozo/L) 43 4 M4 (100 mg glucozo/L) 22
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
314
KHOA H
ỌC
3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Nito đến sự phát triển và khả năng tích tụ lipit của tảo Kết quả khảo sát trong hình 2 và bảng 3 cho thấy các môi trường N1, N2 và N3 tảo sinh trường và phát triển bình thường, riêng môi trường N4 tảo bắt đầu sinh trưởng và phát triển vượt trội hơn từ ngày thứ 9. Như vậy hàm lượng Nito trong môi trường nuôi cấy càng cao, sự sinh trưởng và phát triển của tảo càng tốt. Tương ứng với đó khi hàm lượng nito trong môi trường tăng thì khả năng tích tụ lipit của tảo cũng tăng theo. Hình 2. Đồ thị biểu diễn sự phát triển của tảo trong môi trường có điều chỉnh hàm lượng Nito Bảng 3. Bảng khảo sát lượng lipit tích tụ được trong môi trường có điều chỉnh hàm lượng Nito STT Tên mẫu Hàm lượng lipit (%) 1 N1 (0 mg NH4+/L) 35 2 N2 (10 mg NH4+/L) 39 3 N3 (50 mg NH4+/L) 44 4 N4 (100 mg NH4+/L) 54 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Nito đến sự phát triển và khả năng tích tụ lipit của tảo Kết quả khảo sát trong hình 3 và bảng 4 cho thấy để tảo có thể sinh trưởng và phát triển tốt thì hàm lượng photpho trong môi trường nuôi cấy chỉ giao động trong khoảng 0 - 10mg/L, tương ứng với đó lượng lipit tảo tích tụ tăng khoảng 30% cụ thể trong môi trường có nồng độ 10mg/L lượng lipit tảo tích tụ được đạt 67%. Nếu tăng hàm lượng photpho lên cao từ 10 đến 100mg/L sẽ dẫn tới ức chế sự sinh trưởng của tảo. Hình 3. Đồ thị biểu diễn sự phát triển của tảo trong môi trường có điều chỉnh hàm lượng Phopho Bảng 4. Bảng khảo sát lượng lipit tích tụ được trong môi trường điều chỉnh hàm lượng Photpho STT Tên mẫu Hàm lượng lipit (%) 1 P1 (0 mg PO43-/L) 38 2 P2 (10 mg PO43-/L) 67 3 P3 (50 mg PO43-/L) 48 4 P4 (100 mg PO43-/L) 23 3.5. Kết quả khảo sát sự phát triển và khả năng tích tụ litip của tảo trong nước rỉ rác đã qua xử lý sơ bộ bằng vôi Kết quả khảo sát trong hình 4 và bảng 5. Hình 4. Ảnh hưởng của lượng nước rỉ rác san xử lý sơ bộ tới sự phát triển của tảo Tảo trong môi trường V2 là phát triển tốt nhất so với các môi trường khác, màu trong ống nuôi tảo càng xanh đậm lên và sự phát triểu của tảo chững lại từ ngày thứ 12 và lượng lipit tảo tích tụ trong môi trường này là tốt nhất với 75%. Bảng 5. Bảng khảo sát lượng lipit tích tụ được trong nước rỉ rác đã xử lý bằng vôi STT Tên mẫu Hàm lượng lipit (%) 1 V1 (1:0) 0 2 V2 (1:1) 75 3 V3 (1:2) 11 4 V4 (1:3) 9 Kết quả đánh giá hàm lượng các chất trong môi trường V2 ở bảng 6 cho thấy nồng độ Nito và Photpho trong V2 đều nằm trong khoảng thuận lợi cho tảo phát triển tốt và tích tụ được nhiều lipit như đã khảo sát ở các thí nghiệm trên. Bảng 6. Kết quả phân tích nước rỉ rác sau khi xử ý bằng vôi và pha loãng 1:1 STT Thông số Đơn vị Kết quả đo 1 COD mg/L 2642 2 BOD5 mg/L 952 3 T- N mg/L 172,5 4 N-NH4+ mg/L 76,6 5 T-P mg/L 4,6
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 315
3.6. Kết quả khảo sát sự phát triển và khả năng tích tụ litip của tảo trong nước rỉ rác đã qua xử lý sơ bộ bằng vôi và Fenton Kết quả khảo sát sự tích tụ lipit của tảo trong nước rỉ rác đã xử lý bằng vôi và fenton có kết quả không khả quan, sự sinh trưởng của tảo trong môi trường gần như là không có tảo sau khi được cấy vào môi trường đã chết luôi trong ngày nuôi cấy thứ 2. Có thể hàm lượng H2O2 trong môi trường F1 -F4 cao đã gây ức chế sự sinh trưởng và phát triển của tảo, vì vậy cần có nghiên cứu thêm để điều chỉnh lượng hóa chất cho vào khi xử lý bằng fenton. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yêu tố tới sự phát triển và khả năng tích tụ lipit của tảo cho thấy điều kiện dinh dưỡng để tảo phát triển tốt bao gồm hàm lượng Cacbon trong khoảng 0 - 50mg glucozo/L, hàm lượng Nito trong khoảng 0 - 100mg NH4+/L và hàm lượng photpho trong khoảng 0 - 10mg PO43-/L. Tảo tích tụ tối ưu lipit trong môi trường có nồng độ 50mg glucozo/L, 100mg NH4+/L và 10mg PO43-/L với lượng lipit tích tụ lần lượt là 43%, 54% và 67%. Nước rỉ rác sau khi sử lý sơ bộ bằng vôi rồi đem pha loãng với nước máy theo tỉ lệ 1:1 là môi trường phù hợp nhất về điều kiện dinh dưỡng như đã khảo sát ở thí nghiệm trên để tảo có thể phát triển tốt và tích tụ tối ưu lipt với 75% lượng lipit tích tụ được. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. https://laodong.vn/kinh-doanh/khung-hoang-nang-luong-toan-cau-va-buoc-ngoat-lich-su-1138201.ldo [2]. Yusuf Chisti, 2007. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25 (3), 294-306 [3]. Xiaodan Wu, Rongsheng Ruan, Zhenyi Du, Yuhuan Liu, 2012. Review Current Status and Prospects of Biodiesel Production from Microalgae. Energies, 5, 2667-2682.