利用沼液養(yǎng)殖微藻研究進展

姜奕圻， 廖若瑩， 黃意淇， 趙子程， 王文國

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041； 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065； 3.吉林省四平市氣象局， 吉林 四平 136000)

項目來源： 中央級科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項(Y2016CG34)

利用沼液養(yǎng)殖微藻研究進展

姜奕圻1， 廖若瑩2， 黃意淇2， 趙子程3， 王文國1

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041； 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065； 3.吉林省四平市氣象局， 吉林 四平 136000)

沼液具有量大、集中、價值密度低等特點，目前的土地消納、達標處理等方式都難以達到經(jīng)濟可行的效果。利用沼液養(yǎng)殖微藻既能兼顧厭氧消化液的處理與資源化利用，也有利于降低微藻的養(yǎng)殖成本，是一條雙贏途徑。但是沼液既有利于微藻生長的因素，也有不利于微藻生長的因素。文章對沼液養(yǎng)殖微藻的有利因素、不利因素及其解決方法進行了系統(tǒng)總結(jié)與分析，并對發(fā)展前景進行了展望與建議。

沼液； 微藻； 養(yǎng)殖； 凈化

沼氣技術(shù)是較為成熟的畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合處理技術(shù)，已經(jīng)被廣泛用于散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖場的糞便和廢水的處理[1-2]。隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化程度越來越高，養(yǎng)殖場的規(guī)模和所建沼氣工程的規(guī)模越來越大，產(chǎn)生的沼液也越來越多[3]。目前，對于沼液的處置大都采用土地消納的辦法，即按照農(nóng)牧結(jié)合將沼液作為有機肥直接施入土壤中[4-5]。但由于沼液產(chǎn)生量巨大，消納沼液的土地面積往往遠不能滿足畜牧業(yè)的發(fā)展要求；若遠距離輸送，則又存在能耗大、成本高等弊端；隨意排放，則造成環(huán)境二次污染[4, 6]。因此，沼液的處置已成為限制我國沼氣技術(shù)發(fā)展、乃至畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一[7-8]。另一方面，沼液富含氮、磷等綠色植物生長所必需的營養(yǎng)鹽類，微藻生長過程中需要大量的氮、磷等營養(yǎng)元素，利用其吸收對沼液進行凈化和資源化再利用被認為是一條可行途徑[9-11]。

微藻可以吸收沼液中的N，P等元素，同時可以固定碳，能夠達到廢水凈化和生物質(zhì)積累的目的[12-13]。此外，微藻可以作為飼料添加劑以提高動物產(chǎn)品的營養(yǎng)價值[14]，而且在生產(chǎn)生物柴油方面極具潛力[15]。早在20世紀50年代，Golueke和Oswald等人就已經(jīng)提出利用污水培養(yǎng)微藻的想法[16]。目前，利用沼液養(yǎng)殖微藻已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。本文將從沼液養(yǎng)殖微藻的利弊條件出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)利用沼液養(yǎng)殖微藻研究現(xiàn)狀。

1 沼液利于微藻生長的因素分析

沼液是畜禽糞污經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的產(chǎn)物，除含有大量的氮磷鉀元素外，還包含大量有機物質(zhì)和微量元素，屬于高濃度有機廢水。沼液的主要成分如表1所示。

表1沼液的化學(xué)成分 (mg·L-1)

沼液一般呈弱堿性或中性，pH值范圍在6.8～9.5之間[44]，剛好滿足淡水藻最適生長pH值(6～8)的范圍要求[45]。而且其保留了90%以上發(fā)酵原料中的氮、磷和鉀等利于微藻生長的營養(yǎng)物質(zhì)，其中氮素結(jié)構(gòu)較原污水更優(yōu)[46]，而磷主要以磷酸鹽的形式存在，因此更加利于微藻吸收。除此之外，沼液中還有溶解性的鉀、鈣、鎂、硫等常量元素以及鐵、鋅、硼、銅等有利于促進微藻生長的豐富的微量元素[47]。因此，沼液不僅滿足微藻生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，而且更是一種營養(yǎng)豐富的有機肥料。

微藻是一類在陸地、海洋廣泛分布，具有豐富的營養(yǎng)，光合利用率較高的自養(yǎng)生物[48]。其具有生長速度快、光合作用強、生長周期短、油脂含量高、適應(yīng)性強、能夠在惡劣的條件下快速生長等特點[49]，而且微藻自身含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素和生物活性物質(zhì)，對生物體免疫力的提高和對多種疾病的防治有著積極的促進作用[50]。因此，微藻被廣泛用于生產(chǎn)生物柴油、飼料添加劑等高附加值產(chǎn)品[14-15, 51]。而在微藻養(yǎng)殖過程中需要大量的水和氮磷等營養(yǎng)鹽[51]。由于營養(yǎng)鹽價格貴且用量大，導(dǎo)致微藻的生產(chǎn)成本較高,其中培養(yǎng)基成本約占總成本的30%～60%[14-15]。因此，利用沼液作為養(yǎng)殖微藻的營養(yǎng)來源，不僅能夠有效降低微藻的養(yǎng)殖成本，而且能利用微藻凈化沼液，對其進行脫氮除磷，獲得顯著的環(huán)境效益和雙重的經(jīng)濟效益[52]。

利用沼液養(yǎng)殖微藻主要其具有幾大優(yōu)點：它依賴于自然生態(tài)系統(tǒng)，因此不對環(huán)境產(chǎn)生危害[53]；它不產(chǎn)生二次污染，處理過程只涉及生物質(zhì)的循環(huán)[54]；它能高效回收營養(yǎng)物質(zhì)，是一種可循環(huán)過程[55]。

2 沼液不利于微藻生長的因素分析

2.1 濁度和氨氮濃度的抑制作用

沼液一般成褐色，并且有大量的固體懸浮物，濁度較高，不利于透光，從而影響藻類的生長[35]。微藻光合作用的主要能量來源于光合有效輻射(PAR)波長范圍為380～710 nm，高濁度會導(dǎo)致光合有效輻射較低，從而抑制微藻的生長，影響微藻的生物量積累[35, 56-57]。因此，對沼液進行預(yù)處理，以去除其中的懸浮物質(zhì)，降低濁度，對微藻的生長具有重大意義。

盡管氨基鹽易于被微藻吸收利用，但濃度過高也將抑制微藻的生長，甚至對微藻具有毒害作用。不同的藻種也具有不同的適應(yīng)能力。Levine等研究富油新綠藻(Neochlorisoleoabundans)時發(fā)現(xiàn)，當氨氮濃度為50 mg·L-1時，就已經(jīng)對其產(chǎn)生抑制作用，而在濃度達到100 mg·L-1時，就已經(jīng)產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致微藻死亡[13]。相比之下，Uggetti等的研究表明，柵藻(Scenedesmussp.)可以在較高的氨氮濃度下適應(yīng)生長，在氨氮濃度為260 mg·L-1的條件下仍可觀測到柵藻正常的生長狀態(tài)[29]。Park等發(fā)現(xiàn)，氨氮濃度為100 mg·L-1時，柵藻的生長沒有受到抑制作用。當氨氮濃度為500 mg·L-1時，部分柵藻細胞死亡，細胞濃度降低30%以上，細胞的增長速度也明顯受到抑制。而氨氮濃度增至1000 mg·L-1時，有大量柵藻細胞死亡，細胞濃度不足35%[21]。

沼液的濁度和氨氮含量較高，對藻類的生長會造成一定的毒害作用。目前大多數(shù)研究采用稀釋的方式進行沼液的微藻養(yǎng)殖，這會造成大量淡水資源的浪費，規(guī)?；玫目尚行暂^低[29]。而使用海水[31-32]和生活污水[22, 30, 58]作為稀釋水源，雖然能夠稀釋沼液的濁度和氨氮濃度，減少其對微藻生長產(chǎn)生的抑制作用，但同時營養(yǎng)物質(zhì)也將被稀釋，這樣也不利于微藻的生長。所以，篩選出適于在沼液中養(yǎng)殖的藻株是研究的關(guān)鍵。目前，據(jù)研究報道，綠藻的耐受能力及適應(yīng)能力較強，能夠直接在沼液中進行養(yǎng)殖。Cheng等研究發(fā)現(xiàn)，小球藻(ChlorellaPY- ZU1)能夠在初始氨氮濃度為1093 mg·L-1的沼液中生長[21]。目前，有大量的實驗研究表明(見表2)小球藻在沼液中的凈化作用。因此，對小球藻的研究無疑對濁度和氨氮濃度產(chǎn)生的抑制作用提供非常有價值的解決途徑[23, 56, 58]。

2.2 磷和碳的限制

最適合微藻生長的N/P質(zhì)量比為7左右[10, 59]。如表1所示，沼液中磷的含量不高，這將導(dǎo)致微藻的生長受到限制，無法達到最大的生物量富集程度[10, 20, 30, 60]。Cheng等從調(diào)節(jié)沼液中的氮磷比出發(fā)，向沼液中添加磷源，然后對微藻的增長率進行測定。結(jié)果表明，添加磷源的微藻增長率達到未添加的兩倍[10]。同樣的，C/N質(zhì)量比也是微藻生長的重要因素，據(jù)研究表明，當C/N質(zhì)量比的范圍在4～8時，最有利于微藻的生長[61]。而沼液中的含碳量較低，無法完全滿足微藻自身生長的需求。目前大多研究者都是通過添加有機碳或無機碳作為外加碳源，以滿足微藻在沼液中的生長所需，從而改善微藻對沼液的凈化效果[10, 18, 21, 23, 36]。

2.3 細菌的影響

在開放環(huán)境中，沼液很容易滋生細菌、雜藻以及其捕食者如輪蟲等。這對微藻的生長既有積極的促進作用，同時也具有抑制的不良影響。在光照條件下，微藻通過光合作用利用CO2和N，P等營養(yǎng)物質(zhì)合成自身細胞并放出O2，沼液中好養(yǎng)細菌則利用O2對有機污染物進行分解、轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生CO2，供微藻進行光合作用。但與此同時，在沼液營養(yǎng)物質(zhì)有限的條件下，好養(yǎng)細菌與微藻的不斷增長會形成種間競爭關(guān)系，這樣微藻的生長會受到細菌的抑制，而且微藻細胞很容易受到蟲害的影響，使得微藻在沼液中難以生長[13, 17, 29, 41, 62]。高溫滅菌的方法可以避免細菌的干擾，但是難以進行大規(guī)模應(yīng)用。所以，細菌的存在是不可避免的，只有對其合理利用或采取有效的控制措施[41, 63]。具體方法主要有兩種：一種是過濾法，能夠大大減少沼液中的細菌含量[64]；另一種是添加細菌抑制劑等化學(xué)試劑。這兩種方法都能夠在沼液養(yǎng)殖微藻的過程中有效的控制微藻的生物污染[65]。然而，過濾法能耗和運行成本很高；而化學(xué)試劑添加法會導(dǎo)致成本增加，同時會對藻細胞的后續(xù)加工利用造成負面影響。所以，篩選和馴化出適用于規(guī)模化養(yǎng)殖、生長迅速、耐污性強、耐高氨氮及有機物、對捕食者及異養(yǎng)微生物有一定抗性且具有一定高附加值產(chǎn)品開發(fā)前景的微藻對整個處理系統(tǒng)具有重大意義[64, 66]。

目前，在利用沼液規(guī)模化養(yǎng)殖微藻的過程中，生物污染仍沒有得到完全的解決。因此，后續(xù)研究的重點應(yīng)在于物種之間的相互作用或一種經(jīng)濟有效的方法，以進一步提高其適用性，并能夠顯著降低培養(yǎng)成本。

3 微藻凈化沼液的效果及生產(chǎn)力分析

研究表明，通過微藻凈化沼液的效果較為顯著(見表2)。但在以微藻凈化沼液的工藝中，由于所選取的藻種、運行參數(shù)以及沼液的來源不同，對沼液中營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果也大大不同。Yang等在利用蛋白核小球藻凈化豬場沼液，對沼液中的總氮去除率可達91.6%，總磷去除率可達90.7%[18]。而Fang等利用鏈球藻對沼液進行凈化處理，對沼液中總氮、總磷的去除率可達100%[26]。理論上，通過批次或半連續(xù)的運行模式能夠?qū)崿F(xiàn)對沼液中氮和磷的完全去除[23, 31-32]。然而，所去除的營養(yǎng)物質(zhì)并不是全部由微藻完成的。例如，在堿性條件下，沼液中的氨氮會以氣態(tài)形式吹托，而磷酸根易形成難溶性沉淀物[17]。在沼液中以兼養(yǎng)培養(yǎng)的模式培養(yǎng)微藻，可去除沼液中50%～90%的COD[10, 17-20, 22, 24, 30, 36, 67]。然而，微藻無法完全去除沼液中的COD，主要是因為沼液中存在難以降解的有機物質(zhì)[17]。而且，微藻對沼液中的重金屬也具有一定的去除效果[68]。Cheng 等通過研究發(fā)現(xiàn)微藻能夠?qū)φ右褐械腜b，As和Cd等重金屬物質(zhì)有一定的去除效果，而且能夠去除沼液中重金屬含量的35%～90%[10]。

沼液作為微藻的培養(yǎng)基，對微藻的生長起到了積極作用。Tan等用豬場沼液培養(yǎng)蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)，生產(chǎn)力可達0.63 g·L-1d-1[17]。Cheng等研究發(fā)現(xiàn)小球藻(ChlorellaPY-ZU1)在豬場沼液中培養(yǎng)的生產(chǎn)力也達0.601 g·L-1d-1[10]。Dickinson等利用豬場沼液并添加市政廢水稀釋，用其作為柵藻的培養(yǎng)基，結(jié)果表明，獲得柵藻(Scenedesmussp.)的生產(chǎn)力在0.67 g·L-1d-1左右[58]。而Franchino等探究普通小球藻(C.vulgaris)在牛場糞污厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液中的生長效果，據(jù)研究結(jié)果表明，收獲的普通小球藻的生產(chǎn)力在0.26 g·L-1d-1左右[38]。

表2 微藻在沼液中的培養(yǎng)

注：-表示沒有數(shù)據(jù)

4 展望與建議

利用沼液養(yǎng)殖微藻，不僅能夠達到凈化沼液的目的，而且產(chǎn)生的大量藻體可用于提取與開發(fā)油脂、藻膽蛋白、多糖等高附加值產(chǎn)品。然而，對于沼液養(yǎng)殖微藻的應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)。在后續(xù)的研究重點主要有以下幾點：1)尋求一種高效、低成本、能夠降低濁度的沼液預(yù)處理技術(shù)，對微藻的生物量積累以及大規(guī)模養(yǎng)殖具有重要意義； 2)在養(yǎng)殖過程中，對于生物污染的預(yù)防與控制措施有待進一步研究； 3)篩選和馴化高能效并適用于戶外規(guī)?；B(yǎng)殖的藻種是增強沼液凈化效果并提升微藻產(chǎn)量的關(guān)鍵。

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ProgressofMicroalgaeCultivationinLiquidDigestate/

JIANGYi-qi1,LIAORuo-ying2,HUANGYi-qi2,ZHAOZi-cheng3,WANGWen-guo1/

(1．BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China; 2.SchoolofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 3.SipingMeteorologicalBureauinJilinProvince,Siping136000,China)

Traditional liquid digestate processing technologies such as land application and standard treatment are lack of economic viability, because the digestate has the features of very large in volume, centralized distribution and low value density. Alternatively, microalgae cultivation using liquid digestate can be beneficial for both treatment and resources utilization of anaerobic digestate. It is also able to decrease microalgae cultivation cost. However, liquid digestate has both stimulative and harmful ingredients for microalgae growth. In this paper, both favourable and unfavourable factors of microalgae cultivation using digestate, and the corresponding solutions were summarized. The prospect and future development regarding microalgae cultivation were also reviewed in this paper.

liquid digestate; microalgae; cultivation; purification

2017-04-04

姜奕圻(1992-)，男，黑龍江綏化人，在讀碩士，研究方向為環(huán)境污染與修復(fù)，E-mail: Way_Jiang@126.com

王文國，E-mail: wangwenguo@caas.cn

S216.4

A

1000-1166(2017)04-0036-07