基于微藻培養處理畜禽養殖廢水的研究進展

馬浩天 李潤植 張宏江 杭偉 崔紅利

（山西農業大學分子農業與生物能源研究所，太谷 030801）

近年來，我國的畜牧業得到了較大的發展，成為第一產業的重要支柱，養殖模式也由最初的散養轉變為規模化養殖。規模化養殖雖然具有節省成本、優化管理、增加產量等優點，然而，由于該模式下畜禽的排便特性，養殖過程中產生了大量含有重金屬、氮磷、抗生素等污染物質的糞便廢水，這些處理不當的污染物對環境造成了嚴重的影響［1］。2010年污染普查數據顯示，畜禽業產生糞便 2.43 億t，產生尿液 1.63 億t［2］。畜牧業已成為國內僅次于鋼鐵、煤炭的第三大污染行業［3］。治理畜禽排泄廢水，凈化和保護水資源的任務已經刻不容緩。

目前畜禽廢水的處理主要有自然處理法、物理化學處理法和生物化學處理法等［4］。但是傳統的處理方法往往存在效率低，成本高等問題，限制了其普及率。一般情況下小型的養殖場為節省成本，往往采用直接排放或者粗處理的方法處置廢水；畜禽廢水也常直接還田，這樣不僅會使廢水中的重金屬和抗生素遷移入土壤，也造成了資源的浪費。因而，一種高效、低成本、綠色環保、附加產值大的廢水處理方法是企業和生態環境所急需的。

微藻是一類廣泛存在于各類水環境中的單細胞微生物，利用微藻凈化廢水的技術早已引起關注。一方面，畜禽廢水中含有大量的氮磷及有機物，能夠滿足微藻對于氮源和碳源的需求，有效降低水中N、P含量，同時微藻也可吸附或降解廢水中的重金屬、抗生素等污染物，實現廢水的凈化［5］；另一方面，利用廢水培養微藻，也可以產生大量的微藻生物質，這為其他下游產品，例如生物柴油、肥料、飼料等的開發提供了基礎。這無疑是一條綠色環保可循環的產業鏈，實現了藻、水、下游產品的共得［6］。本文對國內外相關研究進行綜述，以期望為后續的理論研究及產業實踐提供參考。

1 畜禽廢水中的主要污染成分

畜禽養殖廢水主要由畜禽尿糞、畜禽舍沖洗水、飼料殘渣等構成，其化學需氧量（Chemical oxygen demand，COD）、總氮（Total nitrogen，TN）、總磷（Total phosphorus，TP）含量高。本實驗室通過對某養雞場廢水組分分析，發現其主要污染成分如圖1所示（未發表數據）。

圖1 本實驗室測定的某雞場廢水中主要污染成分

圖2 我國農業源各行業氮磷排放量（萬t）及所占百分比

畜禽廢水中的氮磷濃度極高，據我國于2010年第一次污染普查的公告示，畜禽業水污染物中總氮量達到102.48萬t，總磷為16.04萬t，畜禽養殖業排放的總氮、總磷占到農業污染源的38%、56%（圖2）［2］。而全國范圍內，總氮排放量為472.89萬t，總磷42.32萬t，畜禽業氮磷排放量比重達到21.6%和37.9%。

此外，畜禽廢水中的重金屬含量也較高。2010年我國畜禽養殖業污染物中銅的排放量達到了2 397.23 t，鋅達到4 756.94 t，原因在于飼料中添加有硒、砷、錳、鈣、鐵、鋅、銅、鉻和汞等元素，用以提高畜禽生長勢、抗病性等［7］。這些元素，如銅，生物利用度較低，大部分排泄由膽汁分泌進行，隨糞排出體外［8］，進而造成環境中重金屬的累積。同時，在規模化養殖條件下，飼料往往添加過多的抗生素來預防及治療可能出現的細菌感染，進而保證畜禽的健康，但是這其中約85%以上的抗生素會以原形、代謝物形式由糞尿排出［9］，后長期存在于水體中，降解緩慢；另外，在該模式下，畜禽廢水大多還田，抗生素也會遷移至土壤中，對作物造成毒害［10］。

因此，畜禽廢水主要以氮磷、重金屬、抗生素及部分有機物質等污染物為主，同時由于大量糞尿堆積，還附加大量的病原體、寄生蟲卵等。

2 微藻在廢水處理中的應用及機理

2.1 利用微藻去除畜禽廢水中氮磷

利用微藻去除氮磷的理論在1957年就有學者提出［11］。廢水中的無機氮主要以硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮的形式存在。微藻可以通過發生于細胞膜上的同化作用吸收無機氮，首先在ATP、硝酸鹽還原酶的作用下將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，再通過亞硝酸鹽還原酶催化將亞硝酸鹽還原為銨鹽，隨后將還原后的銨鹽納入碳骨架，最終在藻細胞內被合成氨基酸或者蛋白質［12］。微藻對無機氮的同化機理圖如圖 3 示［13］。

圖3 無機氮在真核微藻中的同化途徑

磷是新陳代謝過程中的重要元素。微藻對磷的去除主要是通過磷酸化作用使磷參與由ADP至ATP 的轉化中［14］。主要利用 H2PO-4和HPO2-4兩種形態［15］。微藻細胞內的磷酸化過程有3種形式：底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化。微藻通過吸收無機磷去除水中的磷，也可通過調節pH值等外部條件使磷酸鹽形成沉淀或被微藻吸附沉降（圖 4）。

圖4 微藻吸附沉降磷的機理

2.2 利用微藻富集重金屬

微藻細胞表面具有豐富整齊的官能團，并且細胞膜具有選擇性，這決定了藻細胞可以吸附周圍環境中的重金屬，微藻表面的負電荷反應點可與重金屬結合，進而發生吸附。藻類吸附重金屬分為兩種情況，活體藻細胞吸附及死亡藻體吸附。一般情況下，分為兩個過程：第一是被動吸附，該過程不論活體、非活體微藻均可發生。在靜電相互作用力的作用下，重金屬被藻細胞的官能團吸附，官能團不同，重金屬離子的親和力也不同。被動吸附包括物理、化學吸附、配位、離子交換、螯合及絡合等［16］。第二是主動吸收，該階段必須在代謝過程的基礎上進行，并且多發生于活體藻細胞。重金屬離子穿過細胞膜后運輸，在胞內積累，于胞內化合物或細胞器上附著，過程往往緩慢并且不可逆。主動吸收的機制主要包括共價鍵結合、氧化還原和表面沉淀等［17］。微藻對重金屬的富集過程如圖5示。

3 部分藻種的去污效果

3.1 部分微藻去氮除磷的效果

本文通過對前人的研究總結，整理出若干藻種對總氮、總磷的去除率數據。從表1可見，不同種類微藻對氮磷均有極高的吸附率，最高可達99%-100%，并且適用于各種行業廢水。

圖5 微藻吸附重金屬的過程［16］

3.2 部分微藻吸附重金屬的效果

如表2所見，圍繞重金屬富集的藻株研究主要集中于綠藻門，如小球藻、柵藻等，其富集率均可達到較高水平。

4 基于微藻培養的畜禽廢水處理技術

4.1 高效藻類塘

高效藻類塘（High rate algal pond，HRAP，圖6），最早由Oswald 和 Gotaas 等提出，是傳統穩定塘的一種改進。高效藻類塘的關鍵在于藻菌共生體系的建立，微藻和細菌可形成共生關系，對污水的凈化產生協同作用，因此大大提高了水中污染物質的去除效率。塘中的好氧菌可降解碳氮有機物，生成CO2、氨氮、硝酸鹽等，微藻則利用細菌產生的氮源、碳源進行光合作用并釋放O2，為細菌的分解提供電子供體［31］。二者功能互補，是一種高效脫氮除磷處理技術。

藻類光合作用方程式：

國內外對高效藻類塘的相關研究較多，孫偉麗等［32］通過在實驗室條件下模擬高效藻類塘處理農村生活污水，發現當藻菌數量為（2.6-3.5）×105個/mL，停留時間 7 d時，藻類塘對 COD、NH4+-N和 TP 的去除率可達 87. 77%、97. 2% 和 64. 8%，出水水質可達我國排放標準。Kim等［33］應用高效藻類塘結合絲狀藻類基質（Filamentous algae matrix，FAM）處理農村污染的廢水，研究表明HRAP與FAM結合利用時可高效去除廢水中的氮磷，去除率分別達到了79.8%和81.2%。Chatterjee等［34］的研究表明，上流式厭氧污泥床移動床生物膜（UASB-MBB）反應器，后接HRAP可高效去除水中的氨氮、磷酸鹽和有機物，對氨氮的去除率達到85%，磷酸鹽為91%，并且COD的含量從初始水平的233 mg/L下降到50 mg/L。由于塘中的好氧菌可降解碳氮有機物，藻類塘對有機物也有著較高的去除率。Park 等［35］發現高效藻類塘可以去除約95%的溶解性有機化合物；Villar-Navarro等［36］也發現，HRAP對雙氯芬酸和氫氯噻嗪等利尿劑的去除率增加了15%-50%。

高效藻類塘雖然成本較低，但其依賴于藻類和細菌的代謝，受外界環境如溫度、光照等因素的影響較大；并且藻類生長的條件不易控制；藻類的回收效率太低，成本過高，這些都阻礙了藻類塘的應用。

表1 部分微藻對不同廢水脫氮除磷的效果

表2 部分微藻對不同重金屬的富集效果

圖6 高效藻類塘示意圖

4.2 活性藻

活性藻污水處理技術是基于藻菌共生代謝去除污染物，首先人工培養形成藻-菌混合絮凝物，后利用需凈化的廢水對其進行繼續培養。藻-菌絮凝團以好氣性細菌和各種活性微藻為主。Tiron等［37］利用活化的藻類顆粒在生物反應器中處理污水，發現可以去除約86%-98%的COD，以及大部分的氮磷；國內對活性藻技術的研究較少，況琪軍等［38］利用活性藻反應系統對合成污水進行處理，得出在 26±2 條件下，停留時間為 24 h時，TN、TP、CODCr和 生化需氧量（Biochemical oxygen demand，BOD5）的平均去除率分別為77.62%、33.23%、90.89%和95.77%的結果。

影響活性藻處理效率的因素主要在于藻種和菌群的代謝作用，并且與水中污染物濃度、光照、溫度及進水負荷等一系列參數有關。

4.3 微藻固定化技術

微藻固定化最早開始于20世紀80年代，是以細菌固定化技術為基礎而發展的一種生物技術。利用物理或化學方法將游離的藻細胞固定于某個區域，進而可以保持細胞的活性，提高利用率。常用的固定方法有吸附法和包埋法，吸附法常用于纖絲狀藻類，固定效率比較差。包埋法則在凝膠聚合物的網絡空間將藻類截留，進而提高細胞的密度、反應、負荷等，并減少流失和分解速度，是一種較為高效的固定方法。包埋法常用的固定化載體主要有海藻酸鈉、殼聚糖、瓊脂、水性聚氨酯和硅藻土等。

就氮磷的去除而言，固定化藻類的去除率高于懸浮態藻類，唐皓等［39］利用固定化小球藻對人工污水中的氮磷進行去除，發現固定化小球藻能去除人工污水中99.99%的氨氮和95.71%的總磷，懸浮態小球藻則能去除人工污水中98.92%的氨氮和91.56%的總磷，固定化小球藻的效果更優；Praveen等［40］將小球藻封裝于藻酸鈉微球中，建立與異養細菌的共生處理體系，并發現在曝氣條件下，對葡萄糖的去除效率從未曝氣時的50%（耗時12 h）提高到了100%（耗時6 h），葉綠素含量增加了30%。

4.4 光生物反應器

光生物反應器應當是最有前景的微藻培養系統，該系統可有效調控藻類的光照、溫度、碳源等，從而有效的增加微藻的生物量；并且，光生物反應器能夠對微藻進行高效低成本的采收，并且可以最大程度的降低污染。將光生物反應器與廢水凈化結合，是微藻環境工程和生物質產業結合的重要環節，既可以方便高效的控制微藻的生長，又可以大規模的處理污水。Najm等［41］將小球藻培養在膜式光生物反應器中，發現可去除約100%的PO43--P和無機碳；王雪飛等［42］研究發現，在光生物反應器培養條件下，不同水力停留時間（Hydraulic retention time，HRT）下螺旋藻對氮、磷營養鹽的去除效果相似，NH4+-N、TN、TP 去除率分別為 98.52%-99.03%、90.43%-95.22%、88.25%-96.81%，同時螺旋藻的采收生物量為 0.42 g/d。

但是，目前有關光生物反應器與污水凈化，同時獲得生物質及其代謝產物的研究仍然很少，未來應當補足相關研究。

5 問題和展望

5.1 現有研究存在的問題

基于一系列的生理生化反應，微藻擁有高效的脫氮除磷及吸附重金屬、有機物等污染物的能力，在環境工程領域越來越得到認可，也是生物技術在環境修復方向的新應用。但是其相關研究仍存在較多問題，主要如下：

微藻對污水的處理目前仍以實驗室模擬為主，缺乏實質的、社會性的工程學應用，高效藻類塘、固定化技術和光生物反應器也因相關的缺點而限制了推廣，而且關于生物質產業與廢水處理產業最優耦連裝置——光生物反應器的相關研究也較少。

相關研究的去污對象主要是氮磷，畜禽廢水中的其他污染物質如抗生素等研究過少，在生產實際中更需均衡全面的考慮各個污染組分的去除情況，在此情況下，相關理論依據缺乏造成了微藻廢水凈化裝置的開發的延滯。

凈化污水的機理研究甚少，仍不能上升到分子水平；目前的機理探究多為生理生化水平，針對關鍵氮磷代謝基因、重金屬富集蛋白的研究較少，這也限制了微藻生物技術在環境工程中的應用。

微藻廢水工程未能與其潛在的龐大下游產業相連接。微藻生物質產業十分龐大，涉及能源、食品、醫藥、建材、農林等多個行業，但是由于微藻培養和采收環節的成本問題，微藻生物質產業的發展有所受挫，與上游產業的契合度也不高。

5.2 展望

本文對微藻處理畜禽廢水的工藝做了如下展望：（1）篩選培養去污藻種。主要篩選去污能力強，附加產值大的藻種，并且不僅要著眼于脫氮除磷，還要考慮重金屬、抗生素等污染物的去除能力；（2）揭示微藻去污的機理，尋找關鍵基因。運用分子生物學實驗和組學分析，尋找微藻適應和吸附污染物的關鍵分子機制，填補該領域的研究空白，為微藻水處理技術的發展奠定理論基礎；（3）開發微藻處理工藝。如優化高效藻類塘的凈化條件，降低其成本、尋找合適的固定化載體、將廢水處理與光生物反應器結合，實現污染處理與資源利用的結合、尋找最有效的藻種收集方法等。微藻處理廢水的同時會獲得大量的生物質，如何高效低成本的回收微藻生物質是與下游產業耦合的關鍵。解決以上各個環節存在的問題并加以完善，有效利用資源，方可實現環保、綠色的高值產業循環鏈。