微藻凈化豬場沼液研究現狀及存在問題

冉志平夏禎霞濮振宇石金龍彭霞鄧兵

(1.武漢市農業科學院，湖北 武漢 430208；2.牧原食品股份有限公司，河南 南陽 473000；3.武漢益多康生物技術有限公司，湖北 武漢 430205)

1 微藻的生理特性

微藻是自然水體中重要的凈水生物，常見的凈水微藻主要是綠藻和硅藻。這些藻可以利用污水中的氮、磷等合成蛋白質、維生素、不飽和脂肪酸等物質，成為魚蝦等幼體水生動物的天然餌料。其兼具自養和異養能力，既能夠在光照條件下利用光合作用固定二氧化碳后進行自養生長，也可以不依靠光照直接利用含碳有機物維持生命活動。其共同特點為生長周期短、生長速度快。微藻合成的生物質可以作為生物柴油、保健食品原料、動物飼料等。

2 豬場沼液的特點

我國是豬肉消費大國，據2020年1月17日國家統計局發布的數據顯示，2019年全國生豬出欄54419萬頭，比上年下降21.6%[1]。規模化養豬場每存欄1萬頭生豬，每年會產生約1.5～2萬t的沼液，據此估算我國每年產生的沼液可達到8～10億t以上，且排放量逐年增加。

沼液的成分非常復雜，從組成元素來看，主要為N、P、K等，微量元素包括Na、Ca、Mg、Fe等，還有一些重金屬元素。沼液中的氮一般以氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和少量的有機氮組成，磷的存在形式主要是磷酸鹽，生物活性物質一般為維生素、抗生素、水解酶、植物生長激素、多種氨基酸、硫化物、腐殖酸等。

養豬廢水的化學需氧量COD、氨氮(NH4+-N)含量高，氮磷比(N/P)失調，陳貴等取樣發現沼液儲存池沼液不同時間采集時沼液中氮、磷和鉀含量的變異幅度均較大，變異系數范圍分別為28.1%～55.6%，57.4%～68.3%和48.0%～55.7%；沼液中氮、磷和鉀含量范圍分別為260～1358mg·L-1，4.52～49.1mg·L-1和29.0～259mg·L-1。COD含量不同時間為637～3559mg·L-1[2]。Ho等測得養豬沼液中pH在8.2～8.5，COD含量7134～7924mg·L-1，氨氮含量2104～2111mg·L-1，總堿度5375～5650mg·L-1，總懸浮物7～7.5g·L-1[3]。章萍等測得沼液中TN、TP、生化需氧量(BOD)分別為200～800mg·L-1、20～90mg·L-1、800～200mg·L-1[4]。由此可見，不同豬場沼液因為發酵原料、發酵工藝、發酵時間、發酵濃度以及發酵過程控制等影響因素，導致沼液的成分差異較大，因此在利用和處理時要特別注意掌握沼液的特性，減少不合理利用帶來的危害。

3 微藻凈化沼液的原理

微藻實現沼液的凈化主要是對TN(主要是NH4+-N)、TP、COD、抗生素的去除。沼液中的碳元素主要為有機碳和無機碳，無機碳包括HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3-，而微藻可以直接利用的只有CO2、HCO3-，此外微藻可以通過光異養和化能異養將沼液中的有機污染物作為自身生長所需的碳源和能量，進而實現對沼液的凈化。沼液中的氮以無機氮和有機氮的形式存在，無機氮包括氨氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)和亞硝態氮(NO2--N)，有機氮源主要是未分解的蛋白質、氨基酸和尿素等，微藻因為自身的生長需要會吸收各類無機氮轉化為自身需要的遺傳和代謝物質。值得注意的是，微藻可直接吸收利用NH4+-N，而NO3--N和NO2--N需要在還原酶的作用下轉化為NH4+-N才能夠被吸收，所以微藻會優先利用沼液中的NH4+-N[5]。另外，當沼液中NH4+-N含量較高時，體系為強酸弱堿鹽，隨著微藻對NH4+-N的利用，pH會升高，一部分NH4+-N也會隨之揮發，進而起到凈化的作用[6]。微藻可以利用污水中的磷鹽，轉換成自身必不可少的核酸、蛋白質，以及碳水化合物和脂類等，從而實現沼液中磷的去除，或者改變沼液pH使溶解氧升高導致磷酸鹽沉淀[7]。微藻還能通過自身代謝途徑去除沼液中的部分抗生素，提高沼液后續利用的安全性。

4 微藻凈化豬場沼液的研究現狀

微藻用于處理污水最早提出于20世紀50年代，隨著微藻處理污水技術研究越來越多，使用范圍越來越廣泛。常見的應用于污水處理的微藻主要有柵藻、小球藻、衣藻、螺旋藻和顫藻等。吳盼盼篩選出能適應養豬沼液的微藻，經鑒定屬于小球藻屬，該小球藻對未經稀釋的養豬沼液中TN、TP、NH4+-N、COD的最終去除率達到51%、90%、61%、78.32%[8]。邵瑜通過改變廢水N/P，分析柵藻對氮磷的去除效果發現，各N/P處理組均有較高的氮磷去除率。在N/P比分別為33∶1、23∶1、17∶1、14∶1、12∶1的廢水中總磷的去除率分別可以達到93.58%、94.95%、95.43%、96.21%和97.36%；氨氮的去除效率可達到74.67%、77.73%、79.87%、80.40%、和81.89%[9]。彭春燕等選取一種小球藻在小范圍柱狀跑道池中應用，發現TN、TP、NH4+-N、BOD去除率可達96.41%、97.70%、99.42%和64.81%[10]。劉林林等選取了15株不同的微藻研究發現，斜生柵藻和多棘柵藻對沼液中NH4+-N、TN和NO3--N的去除效果有差異，但是對TP的去除率可以達到91%以上[11]。

目前許多微藻凈化沼液的研究會結合生產高價值的附加產品，豬場沼液可以成為微藻生長的良好培養基，為微藻生長提供養分來源，實現沼液的循環利用。如，孫宏等篩選了一株小球藻，對沼液硝酸鹽氮、總氮、總磷和化學需氧量等水質指標的去除效果最好，去除率分別達到94.5%、90.0%、94.8%和46.1%；培養15d微藻油脂和蛋白質含量較高分別為36.5±2.271%、34.2±1.518%[12]。李成斌將小球藻的養殖與沼液凈化耦合，微藻生長15d時對沼液COD、TP、TN和NH4+-N的去除率分別為87.60%、87.78%、58.64%和95.25%，使養殖沼液達到排放標準，微藻生物量為59.06mg·L-1，油脂產量達到23.85mg·L-1，具有新能源開發潛力[13]。

菌藻聯合凈化沼液的研究效果顯著，Ghulam等用活性污泥和小球藻構建藻-菌共生體處理污水，發現在菌藻接種比為0.5的條件下，TP的初始質量濃度為1.3mg·L-1，經菌藻接種24h后可完全去除；氨氮初始質量濃度為28.7mg·L-1，經菌藻處理84h以后，去除率達到95%[14]。羅龍皂等發現，構建有機物降解菌強化微藻資源化利用豬場沼液體系，添加有機物降解菌使微藻系統中微生物多樣性明顯增加，且主要以有機物降解菌數為主，其加速有機物的分解，為微藻生長提供無機碳源和降低溶解氧累積，從而促進微藻生長和廢水中氮磷去除，其中微藻對氨氮和總磷的吸收率分別較對照處理提高6.37mg·L-1·d-1和0.59mg·L-1·d-1[15]。

5 問題與展望

目前微藻凈化污水的研究越來越多，凈化沼液后微藻的資源化利用主要根據微藻本身的特性集中在水產養殖、動物飼料添加劑及生物能源等方面。

我國水產養殖規模世界第一，對餌料微藻的需求量巨大。微藻可以為魚類提供優質的蛋白質，且微藻中含有豐富而均衡的營養成分和各種生物活性物質，可以滿足魚類生長發育過程中的營養需要。另外，水產養殖密度高，微藻可以提高水中的溶解氧，降低魚類因缺氧導致的死亡率。

微藻富含高品質的不飽和脂肪酸，尤其是ω-3系列多不飽和脂肪酸含量豐富。規模化養殖場主要采用的谷物飼料原料中不飽和脂肪酸含量低，部分營養物質不均衡，需要添加相應的飼料添加劑。將微藻添加到飼糧中既可提高動物的生長性能，還能夠解決目前魚粉、魚油等飼料原料匱乏的現狀。

富油微藻的藻細胞內脂肪酸組成與優質植物油極其相似，作為光合性微藻，能源密度高，是生物能源的首選原材料。利用富油微藻凈化沼液后，對其收集后用于生物燃料也是其應用的一個重要途徑。

目前依舊有許多問題制約著凈化沼液后的微藻資源化利用。在利用微藻對沼液凈化后是否會富集重金屬、抗生素，影響微藻品質，有待進一步研究。微藻的收集成本高或收集系統不完善，降低了微藻開發利用的價值。只有解決了凈化后微藻的資源化利用問題，微藻凈化沼液的技術才能更具實用價值和可持續性。