Luận văn Sử dụng nước thải từ hầm ủbiogas để nuôi tảo chlorella

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA THỦY SẢN LÊ HỮU NHÂN SỬ DỤNG NƯỚC THẢI TỪ HẦM Ủ BIOGAS ĐỂ NUÔI TẢO CHLORELLA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2009 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA THỦY SẢN LÊ HỮU NHÂN SỬ DỤNG NƯỚC THẢI TỪ HẦM Ủ BIOGAS ĐỂ NUÔI TẢO CHLORELLA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH NUÔI TRỒNG THỦY SẢN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ths. TRẦN SƯƠNG NGỌC 2009 2 TÓM TẮT Khả năng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas (nguồn nước thải có từ hầm ủ biogas 4.5 m3 với 75% phân heo và 25% bèo lục bình) để nuôi tảo Chlorella được xác định qua 2 thí nghiệm. Trong thí nghiệm 1 xác định hàm lượng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp để nuôi tảo Chlorella với các nghiệm thức sử dụng nước thải có hàm lượng đạm lần lược là: 2ppm N/ngày, thay đổi (5 ngày đầu: 1 ppm N/ngày; Từ ngày thứ 6 đến ngày thứ 10: 3ppm N/ngày; Từ ngày thứ 11 đến ngày thứ 16: 2ppm N/ngày), 1ppm N/ngày, Wanle (đối chứng). Thời gian thí nghiệm là 7 ngày, mật độ tảo đạt cao nhất là 7,85 ± 0,28 triệu tb/ml (ngày thứ 5 của thí nghiệm) ở nghiệm thức sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas là 2ppm N/ngày khác biệt rất có ý nghĩa (P<0,01) so với các nghiệm thức khác. Trong thí nghiệm 2 sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas là 2ppm N/ngày với 4 nghiệm thức có tỷ lệ thu hoạch khác nhau: 10%, 30%, 50% và không thu hoạch. Thí nghiệm tiến hành trong 10 ngày, khi mật độ tảo đạt trung bình khoảng 6,39 ± 0,47 triệu tb/ml (ngày thứ 4 của thí nghiệm) thì tiến hành thu hoạch. Kết quả cho thấy tỷ lệ thu hoạch 30% là phù hợp vì mật độ tảo cao, ổn định. Có thể ứng dụng nuôi tảo Chlorella trong ao đất bằng nước thải từ hầm ủ biogas (2ppm N/ngày) với tỷ lệ thu hoạch 30% để nuôi luân trùng, Moina. 3 LỜI CẢM TẠ Trong khoảng thời gian thực hiện đề tài tôi đã nhận được nhiều sự động viên và giúp đỡ từ gia đình, thầy cô, bạn bè để hoàn thành tốt đề tài dù gặp nhiều khó khăn. Cảm ơn cha, mẹ và gia đình đã ủng hộ về vật chất và tinh thần. Cảm ơn cô Trần Sương Ngọc đã tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm giúp đỡ tạo mọi điều kiện để đề tài diễn ra thuận lợi. Cảm ơn cô Huỳnh Thị Ngọc Hiền, các thầy, cô, anh, chị trong bộ môn Thuỷ sinh học ứng dụng đã tận tình chỉ bảo trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Chân thành cảm ơn! 4 MỤC LỤC Trang phụ bìa ...................................................................................................... i Tóm lược............................................................................................................ ii Lời cảm tạ ......................................................................................................... iii Mục lục ............................................................................................................. iv Danh sách HÌNH................................................................................................ v Danh sách BẢNG ............................................................................................. vi Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................ 1 Chương 2. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ............................................................ 2 2.1. Tảo Chlorella ............................................................................................. 2 2.1.1. Đặc điểm phân loại ................................................................................. 2 2.1.2. Hình thái, cấu tạo.................................................................................... 2 2.1.3. Sinh sản................................................................................................... 2 2.1.4. Giai đoạn phát triển của quần thể tảo ..................................................... 3 2.1.5. Thành phần dinh dưỡng.......................................................................... 4 2.1.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo................................ 4 2.1.6.1.Ánh sáng ................................................................................................ 4 2.1.6.2.pH........................................................................................................... 5 2.1.6.3.Nhiệt độ.................................................................................................. 5 2.1.6.4.Sục khí ................................................................................................... 5 2.1.6.5.Dinh dưỡng ............................................................................................ 5 2.1.7. Một số hình thức nuôi tảo....................................................................... 7 2.1.8. Khả năng sử dụng tảo Chlorella để xử lý chất thải ................................ 7 2.2. Biogas ......................................................................................................... 8 2.2.1. Một số vấn đề về biogas ......................................................................... 8 2.2.2. Biogas và lục bình ................................................................................ 10 2.3. Tận dụng chất thải từ hầm ủ biogas ......................................................... 10 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................... 13 3.1. Thời gian và địa điểm ............................................................................... 13 3.2. Vật liệu nghiên cứu................................................................................... 13 3.3. Bố trí thí nghiệm....................................................................................... 14 3.3.1. Thí nghiệm 1: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella....................................... 14 5 3.3.2. Thí nghiệm 2: tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas. ..................................... 15 3.3.3. Thu thập, tính toán và xử lý số liệu ...................................................... 15 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THẢO LUẬN....................................................... 17 4.1. Thí nghiệm 1: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella.................................................. 17 4.1.1. Các yếu tố môi trường ........................................................................... 17 4.1.1.1. Nhiệt độ............................................................................................... 17 4.1.1.2. Ánh sáng ............................................................................................. 17 4.1.1.3. pH........................................................................................................ 18 4.1.1.4. TAN .................................................................................................... 19 4.1.1.5. NO3- .................................................................................................... 21 4.1.1.6. TN ....................................................................................................... 22 4.1.1.7. TP........................................................................................................ 23 4.1.2. Sự phát triển của tảo .............................................................................. 24 4.2. Thí nghiệm 2: tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas.................................................. 26 4.2.1. Các yếu tố môi trường ........................................................................... 26 4.2.1.1. Nhiệt độ............................................................................................... 26 4.2.1.2. pH........................................................................................................ 26 4.2.1.3. TAN .................................................................................................... 27 4.2.1.4. NO3- .................................................................................................... 28 4.2.1.5. TN ....................................................................................................... 29 4.2.1.6. TP........................................................................................................ 30 4.2.2. Sự phát triển của tảo .............................................................................. 31 4.2.3. Mối tương quan giữa hàm lượng dinh dưỡng và mật độ tảo ................ 33 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.................................................... 34 5.1. Kết luận..................................................................................................... 34 5.2. Đề xuất ...................................................................................................... 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 35 PHỤ LỤC 6 DANH SÁCH HÌNH HÌNH 2.1. Tảo Chlorella ................................................................................... 2 HÌNH 2.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo ...................................... 3 HÌNH 2.3. (A). Hầm sinh khí kiểu vòm cố định; (B). Hầm sinh khí có nắp đậy di động; (C). Hầm sinh khí dạng túi. ................................................................. 9 HÌNH 2.4. Quá trình lên men kỵ khí ................................................................. 9 HÌNH 2.5. Hệ thống không có chất thải .......................................................... 11 HÌNH 4.1. Nhiệt độ trong bể tảo ..................................................................... 17 HÌNH 4.2. Cường độ ánh sáng trong bể tảo .................................................... 18 HÌNH 4.3. Biến động pH trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) .................... 19 HÌNH 4.4. Biến động hàm lượng TAN ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1)..... 20 HÌNH 4.5. Biến động hàm lượng NO3- ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1) ..... 21 HÌNH 4.6. Biến động hàm lượng đạm tổng số trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) ......................................................................................................... 22 HÌNH 4.7. Hàm lượng lân trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) .................. 23 HÌNH 4.8. Mật độ tảo (thí nghiệm 1) .............................................................. 24 HÌNH 4.9. Biến động pH trong các nghiệm thức (thí nghiệm 1) .................... 27 HÌNH 4.10. Biến động hàm lượng TAN ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2)... 28 HÌNH 4.11. Biến động hàm lượng NO3- ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) ... 29 HÌNH 4.12. Biến động hàm lượng đạm tổng số ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) ...................................................................................................................... 30 HÌNH 4.13. Mật độ tảo (thí nghiệm 2) ............................................................ 31 7 DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1. Thành phần hoá chất môi trường Walne ......................................... 13 Bảng 4.1. pH các nghiệm thức trong thời gian thí nghiệm (thí nghiệm 1)...... 19 Bảng 4.2. Hàm lượng TAN trung bình ở các nghiệm thức (thí nghiệm 1) ..... 20 Bảng 4.3. Mật độ tảo (thi nghiệm 1)................................................................ 25 Bảng 4.4. Hàm lượng TAN trung bình ở các nghiệm thức (thí nghiệm 2) ..... 28 Bảng 4.5. Hàm lượng lân trung bình trong các nghiệm thức (thí nghiệm 2) .. 30 Bảng 4.6. Mật độ tảo (thí nghiệm 2)................................................................ 32 Bảng 4.7. Hàm lượng đạm lân trung bình trong các nghiệm thức (thí nghiệm 2) ...................................................................................................................... 33 8 CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Giới thiệu Ngành Nuôi trồng thủy sản là ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam, là ngành mang về nhiều ngoại tệ cho Đất nước với các thế mạnh về sản phẩm đông lạnh của tôm sú, cá tra, cá ba sa… Sự lớn mạnh của nghề nuôi đã kéo theo nghề sản xuất giống phát triển. Nghề sản xuất giống thủy sản với các đối tượng có giá trị kinh tế cao như tôm sú, tôm càng xanh, cá chẽm, cá mú… Đòi hỏi phải có những thức ăn tự nhiên kích thước nhỏ phù hợp với cỡ miệng của ấu trùng như: vi tảo, luân trùng, Moina, Artemia… Để làm tốt được điều đó phải có thức ăn cơ sở là vi tảo đặc biệt là Chlorella. Chlorella là loài tảo được phân lập và nuôi đầu tiên vào năm 1890, bởi nhà sinh vật học Hà Lan, M.W. Beijerinck. Tảo phân bố rộng ở cả môi trường nước ngọt và môi trường nước lợ. Ngoài có vai trò lớn trong Nuôi trồng thủy sản, tảo còn có vai trò trong các ngành khác như: y học, hóa mỹ phẩm, công nghiệp chế biến thức ăn… Trong mô hình kết hợp người ta đã tận dụng chất thải của nhiều nguồn, đặc biệt là phân từ chăn nuôi để làm hầm ủ biogas, nước thải từ hầm ủ được sử dụng cho ao cá. Nước thải là nguồn dinh dưỡng để các loại thức ăn tự nhiên phát triển mà tảo là mắc xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn. Xuất phát từ những ý nghĩa đó, đề tài “Sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas để nuôi tảo Chlorella” được thực hiện. 1.2. Mục tiêu đề tài: Ứng dụng nuôi tảo Chlorella bằng nước thải từ hầm ủ biogas cho hộ dân ở các địa phương có nhiều bèo lục bình, kết hợp hầm ủ biogas để nuôi thức ăn tự nhiên. 1.3. Nội dung đề tài: Xác định liều lượng sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas thích hợp cho sự phát triển của tảo Chlorella. Tỷ lệ thu hoạch tảo thích hợp trong hệ thống nuôi tảo Chlorella sử dụng nước thải từ hầm ủ biogas. 9 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Tảo Chlorella 2.1.1. Đặc điểm phân loại Giới: Plantae Ngành: Chlorophyta Lớp: Chlorophyceae Bộ: Chlorococales Họ: Chlorellaceae Giống: Chlorella (Bold and Wynne, 1978) HÌNH 2.1. Tảo Chlorella (www.bartonpublishing.com) 2.1.2. HÌNH thái, cấu tạo Chlorella là loại tảo đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng di động chủ động. Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình oval. Kích cỡ tế bào từ 3 - 5µm, hay ngay cả 2 - 4µm tùy loài, tùy điều kiện môi trường và giai đoạn phát triển. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, chịu được những tác động cơ học nhẹ. Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và chất lượng của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ, 1995). 2.1.3. Sinh sản Tảo Chlorella sinh sản rất nhanh, trong 3 giờ tảo lục nước ngọt có khả năng tăng gấp đôi mật độ. Tảo Chlorella không có sự sinh sản hữu tính. Quá trình sinh sản được tiến hành nhờ tạo nên trong cơ thể mẹ các tự bào tử. Tùy theo loài tảo và điều kiện môi trường mà số lượng các tự bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trường hợp tạo ra 64 tự bào tử) sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách phá hoại màng tế bào mẹ. Các tế 10 bào trẻ này lớn lên và phát triển đến giai đoạn chín sinh dục, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995). 2.1.4. Giai đoạn phát triển của quần thể tảo Tamiya, 1963 (trích bởi Sharma, 1998) trong khi nghiên cứu vòng đời của Chlorella ellipsoidea chia làm 4 giai đoạn: Giai đoạn tăng trưởng: ở giai đoạn này các tự bào tử sẽ tăng nhanh về kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp. Giai đoạn bắt đầu chín: tế bào mẹ chuẩn bị quá trình phân chia Giai đoạn chín mùi: tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng tối. Giai đoạn phân cắt: màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các tự bào tử được phóng thích ra ngoài. Theo Trần Thị Thanh Hiền và ctv (2003), với chế độ dinh dưỡng thích hợp và điều kiện lý học thuận lợi quá trình sinh trưởng của tảo trải qua các pha sau: HÌNH 2.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào gia tăng kích thước nhưng không có sự phân chia. Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục, tùy thuộc vào kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ… Pha tăng trưởng chậm: sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đổi một yếu tố nào đó. 11 Pha quân bình: Sự cân bằng được tạo ra giữa tốc độ tăng trưởng và các nhân tố giới hạn. Pha suy tàn: do dinh dưỡng cạn kiệt, tảo bị suy tàn. 2.1.5. Thành phần dinh dưỡng Công trình khoa học nuôi tảo Chlorella thuần đầu tiên vào năm 1890 là loài Chlorella vulgaris, bởi M. N. Beijerinck. Từ đó các thí nghiệm nuôi và nghiên cứu về tảo Chlorella được thực hiện liên tục. (Dhyana Bewicke, Beverly A. Potter. PHD. et al_ Các nhà nghiên cứu đã xác định được chúng chứa 50 - 60% protein, có chứa nhiều acide amin thiết yếu, 20 -30% glucid và 10 – 20% lipid, với các acide béo không no. Chlorella chứa hầu hết các vitamin: A, B1, B2, B6, B12, C, D, K… (Trần Văn Vĩ, 1995). Trong những năm của thập niên 1940, hai nhà nghiên cứu Jorgensen và Convit, dùng tảo Chlorella cho 80 bệnh nhân hủi ở Venezuela. Thể chất của các bệnh nhân đã được cải thiện, đó là bằng chứng có lợi cho sức khỏe của tảo Chlorella. Mở ra một triển vọng lớn cho một loại thức ăn mới bổ dưỡng và có giá trị y học. Thập niên 50 của thế kỷ 20, tảo được ứng dụng làm thức ăn và thuốc của con người. Người Nhật là những người tiên phong, và ăn tảo trở thành một xu hướng ở nước này. Những năm 1950 và 1960, người ta đã nuôi sinh khối tảo ở nhiều quốc gia như: Mỹ, Liên Ban Xô Viết, Nhật, Đức, Israel. Một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Dr. Dam kết luận rằng người khỏe mạnh có thể sử dụng tảo làm nguồn cung cấp protein chính yếu cho cơ thể (90 – 95% nhu cầu protein) trong vòng 20 ngày. Tuy nhiên nguồn cung cấp đạm từ tảo không thể cạnh tranh với đạm từ đậu nành bởi vì giá cả đắt hơn. (Dhyana Bewicke, Beverly A. Potter. PHD. et al_ 2.1.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của tảo 2.1.6.1. Ánh sáng Cũng như các loài thực vật khác, tảo cũng cần ánh sáng cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ carbondioxide. Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tùy theo điều kiện nuôi. Nuôi trong bình thủy tinh, dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng khoảng 1.000 lux, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cũng lớn khoảng 5.000 – 10.000 lux. Sử dụng ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu sáng ít nhất 18 giờ/ngày. Nuôi tảo Chlorella trong quy trình 12 nước xanh cải tiến bằng cá rô phi, cường độ ánh sáng cần khoảng 4.000 – 30.000 lux (Nguyễn Thanh Phương và ctv, 2003). 2.1.6.2. pH Hầu hết các loài tảo nuôi có thể sống trong khoảng pH = 7 – 9, đối với tảo Chlorella pH thích hợp từ 6 - 8.5. Nếu pH thay đổi lớn có thể làm cho tảo bị tàn lụi. (Nguyễn Thanh Phương và ctv, 2003). pH cho tảo phát triển tốt nhất cho tảo Chlorella từ 8 – 9 (Trần Thị Thủy, 2008). 2.1.6.3. Nhiệt độ Mỗi loài tảo có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau. Nhưng nhìn chung nhiệt độ tối ưu để nuôi tảo dao động trong khoảng 23 – 300C tùy theo loài (Trương Sĩ Kỳ, 2004). Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp cho tảo Chlorella thích hợp là 25 – 350C nhưng có thể chịu đựng nhiệt độ 370C (Liao, 1983 trích bởi Thủy, 2008). Theo Trần Thị Thủy (2008) nhiệt độ tối ưu cho tảo Chlorella phát triển là 340C. 2.1.6.4. Sục khí Theo Persoon (1980) nhận xét giữa các chế độ sục khí liên tục, bán liên tục và không sục khí đã nhận thấy năng suất của bể sục khí cao hơn 30% so với bể không sục khí. 2.1.6.5. Dinh dưỡng Qúa trình quang hợp thực vật cần nhiều vật chất dinh dưỡng để tổng hợp chất hữu cơ và sinh trưởng, trong số các nguyên tố cần thiết cho thực vật thì trong nước chỉ có vài nguyên tố có thể đáp ứng đủ nhu cầu (O2 và H2), các nguyên tố còn lại đều có hàm lượng rất thấp so với nhu cầu của thực vật. Do đó, thực vật thường tăng cường hấp thu và dự trữ các nguyên tố đó để phục vụ cho quá trình sinh trưởng cũng như tổng hợp chất hữu cơ. Bên cạnh carbon, nitơ và phospho là 2 nguồn dinh dưỡng cần thiết cho quá trình phát triển của tảo và tỷ