基于微藻去污及吸附培養的畜禽養殖排放物處理技術研究

張 華

（衢州職業技術學院 機電工程學院，浙江 衢州 324000）

1 背景

畜牧業是衢州市農業的重要產業，生豬和家禽年飼養量均居全省前列，2015年全市畜牧業產值48億元，占農業總產值34.4%，2018年，全市生豬飼養量260萬頭、家禽飼養量5374.8萬羽[1]。隨著生產的擴展，產生大量工農業生產污水(如沼液污泥、畜禽養殖廢液等)，這些水體多富含N、P等營養物質。當前衢州舉全市之力創建“美麗大花園”，所以對這些污染源的治理迫在眉睫。“五水共治”開展以來，衢州市以治水倒逼轉型升級，把“五水共治”的成效體現在創新發展、轉型發展上[2]。盡管“五水共治”已經產生一定的成果，但仍有短板。主要表現在：

（1）畜禽治理反彈壓力很大。如衢江區高家鎮溪西養殖廢水污染農田、廟源溪養豬廢水排入等。衢州市已經嚴格養殖規模，對違建、治污設施不到位和超規模的一律關停，表1是2016年衢州市第三季度生豬飼養量統計情況。

（2）創新模式有待提檔。2013年以來，全市出臺畜禽排泄物資源化利用扶植政策，龍游縣、衢江區、江山市等地探索出利用動物排泄物生產有機肥和沼液的模式。但總體上受各種因素的制約，這些模式的復制、推行面不廣。

（3）產業結構有待優化。畜禽養殖基地一般位于農村、山區等偏遠地區，比較分散，受市場環境影響較大。常規的污水處理設備（如沼氣循環系統）結構復雜，價格昂貴，治污設施的運行和維護無疑是一筆不小的開支。

鑒于當前存在的問題和發展短板，除了批評教育、政策引導甚至查處關閉等行政措施外，還應該創新理念，另辟蹊徑，尋找突破，因勢利導，合理組織，使畜禽養殖產業更加系統化、規范化、科學化，取得保護水環境和經濟效益的雙贏。

表1 衢州市2016年第三季度生豬飼養量統計（單位：萬頭）（資料來源：衢州市農業局）

2 微藻去污技術的應用

2.1 微藻及其培養

微藻是單細胞的低等植物，在地球上分布廣泛。微藻具有光合效率高，生長速度快，產量高，不依賴于耕地和淡水資源[3]。近年來，微藻在水環境處理領域、生物柴油等方面的研究引發巨大關注[4]。

2.2 微藻吸附式固定化培養

研究指出，讓微藻細胞附著在特定的吸附材料上生長（見圖1），用于生物膜大規模培養及收獲、除污，氮磷去除率好于懸浮培養[5]。國內外高校和科研機構等在微藻產油、去污等基礎理論研究方面走在前列，一種搖擺振蕩反應器[6]處理污水，牛糞污水氮磷去除率80%~90%，生物膜產量2.59g/m2/d。已經付諸實施的微藻生物膜培養系統Algal Turf scrubber(ATS)[7]進行城市的污水處理的工程，每年可以消耗1300kg/ha的氮以及330kg/ha的磷，并生產出40~50t/ha的生物質。福州大學沈英教授[8]的再生能源實驗室團隊承擔的國家和省級自然科學基金項目，較系統的開展過微藻培養與沼液脫氮磷的耦合機制研究，在理論研究與企業合作方面積累了很多經驗和成果。

圖1 固定化培養的微藻

3 建設方案與技術成果推廣

3.1 研究方案

將畜禽養殖基地的動物糞便及廢水引入溶解罐，并攪拌，使之充分溶解，然后對廢水進行過濾，監測水質及營養成分，過濾后的殘渣可供沼氣轉化設備使用。濾去雜質、顆粒的廢水送給吸附式微藻培養設備（擬采用多組滾筒式裝置）供微藻生長吸收，培養一段時間后，這部分懸浮液引入層級式平板反應器進行二次吸收和沉淀，當廢水中氮磷等成分基本去除后，采收設備開始收獲微藻藻體。干燥后的藻粉儲存起來，可供提取生物柴油、蛋白質等高附加值產品。

3.2 技術路線

技術路線及系統組成運行原理，如圖2所示：

圖2 系統組成及運行原理圖

3.3 研發內容、成果和技術指標

3．3．1 研發內容

（1）結合實際，基于前期研究成果，從小球藻屬Chlorella vulgaris、柵藻屬Scenedesmus dimorphus、土生綠球藻Chlorococcum humicola和富油菌株布朗葡萄藻Botryococcus braunii等常見藻類中篩選1～2中生長速度快，環境耐受性強，工程應用性好的微藻菌株，以保證較少的人力、資源投入。

（2）研發一套可用于畜禽養殖基地的微藻廢水處理裝備。①設計、調試和運行維護微藻去污設備；②水質監測、微藻生物質的后續處理等；③建立設備運行評價的長效機制，確保污水處理的整個過程力求達到低碳、綠色、環保。

3．3．2 技術指標

（1）研究微藻環境適應性（比如高氮、高溫、極端溫度耐受能力等）、污水環境中微藻的生長速度和菌種穩定性。

（2）微藻去污設備的設計、調試和運行維護。①設備結構（選址、空間布置、幾何參數尺寸、耦合能力），反應器設想模型如圖3所示；②環境因素（光照強度、環境溫度等）；③生產要素（資金、材料、土地資源、人力、動力設備、水電供應）；④運行維護（水質監測、風險應對、運行速度）；⑤后續處理（如微藻采收與儲存等）等。

圖3 模型設想

圖4 層級平板式生物反應器

擬占地面積10m2左右，并能根據養殖規模的變化調整廢水處理量。日處理畜禽糞便和廢水10t，實現養殖廢水少排放甚至零排放。污水氮磷去除率90%以上，年獲得50kg微藻生物質，促使微藻生物質高效轉化，獲得生物柴油等高附加值產品。計算污水處理設備投入與產出，評價設備運行的可行性、穩定性、經濟性。與沼氣除污設施優勢互補，開展多試點研究，提高設備運行的可復制性和市場占有率，取得一定經濟效益。

3.4 研發成果

3．4．1提出一種微藻生物膜的培養方法

提出一種微藻生物膜的培養方法，Botryococcus braunii在生長過程中利用分泌的胞外聚合物刺激培養生物膜藻體以提高微藻的油脂積累量[9]。

3．4．2分析吸附生長方式下微藻細胞適應畜禽污水環境的機理

為了研究吸附生長方式下微藻細胞適應畜禽污水環境的機理，對微綠球藻Chlorococcum hu-micola進行畜禽污水培養，從氮磷濃度、藻種特性、培養基環境等要素考察微藻氮磷吸收、生物膜產量、吸附率及生長適應性。結果顯示：由于畜禽養殖污水培養基的營養和微生物環境、胞外聚合物EPS等的積極作用，吸附培養有助于氮磷吸收和微藻生長，且Chlorococcum sp.具有柔性的環境適應性，包括細胞活性和吸附生長能力，氮抑制、氮缺乏條件下微藻細胞的緩沖生長策略等[10]。

3．4．3 建立生物反應器模型

建立層級平板式生物反應器，結構如圖4，反應器共4層，每層設有平板玻璃槽，尺寸110cm×27.5cm，槽底部用玻璃纖維增強塑料板（Glassfiber Reinforced Plastic，GFRP，厚 1mm）作為吸附材料。玻璃槽中分別加入培養基10L[10]。

3.5 成果應用與衢州的推廣優勢

基礎設施（或研發機構）方面，衢州有龍游縣的“開啟模式”、衢江區的“寧蓮模式”以及江山的“石明模式”等研發基礎。其中浙江開啟能源科技有限公司，成立于2009年，總投資8000余萬元，占地100余畝，是全國首個以生豬排泄物為原料集中治理的項目，并被省委省政府列為“五水共治”全省推廣的“開啟模式”，構建了生豬排泄物→沼氣發電→有機肥生產→種植業→養殖業的循環產業鏈。但是利用微藻清潔畜禽養殖廢水目前在衢州范圍內還沒有大規模產業化應用。

地理環境方面，衢州市位于東經118°01′～119°20′，北緯 28°14′～29°30′，屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為16.3～17.4℃。四季分明，春早秋短夏長，光熱充足、降水豐沛、氣溫適中的特征，非常適宜藻類的生長，自然環境中經常發現有野生藻類存在。這些都為微藻培養和利用提供了良好的環境條件。

2018年，衢州市把畜牧業綠色發展示范市建設列入市委市政府重點工作，且要融入“美麗大花園”建設。如果衢州市抓住這一契機，整合資源，變廢為寶，將微藻培養與畜禽養殖污水結合，一方面實現廢棄資源的再利用和保護環境，另一方面又可獲得大量的微藻生物質，既凈化了淡水環境，又降低了微藻培養成本。得到的微藻生物質干燥后，可以用作動物飼料、提取高附加值產品，對一些富油藻類還可以提煉生物柴油，以緩解日益緊張的化石燃料，一舉多得，符合低碳經濟、循環經濟理念，經濟價值和社會效益可觀。

4 結 論

十八大以來，生態文明建設提上重要位置，綠色發展、保護環境、促進人與自然和諧相處和經濟社會的可持續發展逐步深入人心。以生態文明建設為宗旨，以“五水共治”為契機，立足衢州市水環境建設在全省中的重要地位和廢水治污技術現狀的實際，利用微藻培養高效吸收廢水中的氮、磷等營養成分的手段，創新動物糞便處理和廢水去污新技術和設備，探索行之有效的科學化、系統化、產業化的畜禽養殖行業發展新路子。