豬場(chǎng)污水微藻處理方法在華東地區(qū)的試驗(yàn)

姜紅菊，李步社，韓雪峻，張和軍，宋團(tuán)偉，陳志祥，張 剛

(1.上海祥欣畜禽有限公司 上海種豬工程技術(shù)研究中心，上海 201302；2.深圳綠倍生態(tài)科技有限公司，廣東 深圳 518083)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，高密度的畜禽養(yǎng)殖模式，集中、持續(xù)地產(chǎn)生了大量的糞污，如何科學(xué)有效地處理養(yǎng)殖業(yè)的糞污，成為業(yè)內(nèi)面臨的焦點(diǎn)問題。針對(duì)畜禽糞污處理，國(guó)家高度重視并支持綠色、資源化的處理技術(shù)。2016 年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家林業(yè)局在《關(guān)于加快發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的指導(dǎo)意見》中指出，糞污資源化利用的重點(diǎn)領(lǐng)域和主要任務(wù)是：推進(jìn)資源利用節(jié)約化，推進(jìn)生產(chǎn)過程清潔化，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈接循環(huán)化，推進(jìn)農(nóng)林廢棄物處理資源化。

對(duì)畜牧業(yè)而言，越來越嚴(yán)格的環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)迫使養(yǎng)殖場(chǎng)摒棄成本高且效率低的傳統(tǒng)化工反應(yīng)處理工藝，促使為畜牧業(yè)污染物資源化處理和綜合利用探索出一條新的技術(shù)途徑。其中，種養(yǎng)結(jié)合是一種較普遍的糞污資源化利用模式，尤其是對(duì)污水的利用，該模式有較大的優(yōu)勢(shì)。種養(yǎng)結(jié)合目前常用的物質(zhì)生態(tài)循環(huán)利用方式主要是種植業(yè)-養(yǎng)殖業(yè)-沼氣工程三結(jié)合模式。通過土地的消納，該模式解決了糞污的利用問題。但在部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，如長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲，因?yàn)槿狈上{的農(nóng)用土地，這種大面積、大規(guī)模的處理模式很難得到應(yīng)用。另外，在這個(gè)三結(jié)合模式中，雖然能通過沼氣產(chǎn)生一定的能量，但需要排出二氧化碳，會(huì)影響環(huán)境；同時(shí)，該處理模式對(duì)污水中有機(jī)資源的利用并不高，很難高效解決畜牧業(yè)污水達(dá)標(biāo)排放問題。

為此，探索新的處理模式，高效解決養(yǎng)殖業(yè)糞污，是當(dāng)前一個(gè)緊迫的課題。近年來，用微藻處理養(yǎng)殖業(yè)糞污是一個(gè)新的發(fā)展方向。2018 年，我們?cè)谌A東地區(qū)一家種豬場(chǎng)進(jìn)行了利用微藻資源化模式處理豬場(chǎng)污水的推廣試驗(yàn)，現(xiàn)將前期試驗(yàn)情況介紹如下。

1 微藻處理模式的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)污水處理在有效降低氮和磷的含量上存在一定的局限性，微藻處理模式的發(fā)展為這一難題提供了解決思路。藻類植物種類繁多，分布廣泛，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力較強(qiáng)，其利用光合作用可以把太陽能轉(zhuǎn)化為自身生物量，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。利用養(yǎng)殖污水培養(yǎng)藻類既可以高效去除污水中的氮和磷等污染物，還可以產(chǎn)生大量的藻類生物源，這些生物源可以作為飼料、肥料或燃料等用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是污水資源化處理利用的有力手段?；谖⒃宓母邇r(jià)值產(chǎn)物合成改造及抗逆性能改造，也將突破藻種類型依賴馴化篩選的局限，實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)的目標(biāo)，大幅提升污水處理藻種的循環(huán)開發(fā)價(jià)值。

研究人員很早就注意到自然界中微藻類生物具有十分強(qiáng)大的吸收轉(zhuǎn)化氨氮的能力，并且開展了利用微藻處理污水的研究應(yīng)用。1957年，美國(guó)的Oswald 等利用微藻取代污水處理中的活性污泥，為藻類污水生物處理技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。目前，多個(gè)國(guó)家開展了利用微藻凈化污水的研究與應(yīng)用工作，雖然取得了不少進(jìn)展，但距離大規(guī)模應(yīng)用仍有較多的問題需要解決。近年來，我國(guó)相關(guān)研究人員在遼寧、山東、廣東和上海等地進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)探索，目前已在藻種選育、COD 去除、氨氮降解、功能性成分純化試驗(yàn)等領(lǐng)域取得了部分進(jìn)展。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為探索建立畜牧業(yè)廢棄物微藻資源化處理體系，篩選出能夠處理高濃度畜牧業(yè)污水的微藻種類，試驗(yàn)將畜禽糞污作為營(yíng)養(yǎng)源培養(yǎng)微藻，通過離心分離獲得藻渣、藻液，將其加工為具有高附加值的飼料添加劑、功能性飼料蛋白源，同時(shí)，驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)在去除污水COD、氨氮等有機(jī)物方面的效果，檢驗(yàn)處理后的水質(zhì)能否達(dá)到相關(guān)的國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

3 微藻資源化處理試驗(yàn)安排

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

篩選耐污微藻藻株并研究其生長(zhǎng)特性，優(yōu)化豬場(chǎng)污水處理工藝，建立基于沼氣-微藻為核心系統(tǒng)的豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水凈化工藝和平臺(tái)；研究微藻生產(chǎn)提取工藝，對(duì)獲得的微藻進(jìn)行多種途徑的資源化開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)豬場(chǎng)污水中氮、磷、銅和鋅等物質(zhì)的資源循環(huán)利用，解決生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的污水問題，達(dá)到減排、綠色及高效的目的。

試驗(yàn)設(shè)定的環(huán)保相關(guān)技術(shù)指標(biāo)有：處理后污水達(dá)到國(guó)家畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)全年穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，日處理污水達(dá)到350 m3；每千噸有機(jī)污水回收0.6 t 符合飼料原料衛(wèi)生指標(biāo)的干藻粉；根據(jù)污水養(yǎng)殖微藻的營(yíng)養(yǎng)組成，實(shí)現(xiàn)多途徑的資源化利用。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

用于處理畜牧業(yè)污水的馴化和優(yōu)化的微藻菌種，未來或許可以解決畜牧業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)保難題。與此同時(shí)，微藻可以以畜牧業(yè)污水為養(yǎng)料，滿足自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求，隨后通過生物鏈的循環(huán)利用系統(tǒng)回收微藻，并將其加工成具有高價(jià)值的飼料原料，回到畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)中繼續(xù)循環(huán)利用，提升產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈。在試點(diǎn)項(xiàng)目中，以“微藻生態(tài)處理系統(tǒng)”為糞污綜合處理核心，保障畜牧糞污環(huán)境達(dá)標(biāo)，使沼渣、沼液等能夠得到高附加值的應(yīng)用，并通過試點(diǎn)不斷提高系統(tǒng)處理效率，以不斷提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。本試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

3.2.1 藻種

構(gòu)建微藻培養(yǎng)室和藻種保藏室，廣泛收集優(yōu)勢(shì)藻種資源，利用高效的檢測(cè)技術(shù)，篩選出適合高效工業(yè)化生產(chǎn)、易于提取的藻種；馴化適合不同類型污染水體(規(guī)?；i場(chǎng))及當(dāng)?shù)貧夂?華東地區(qū))的藻種。

3.2.2 污水微藻處理技術(shù)

污水微藻處理技術(shù)通過研究試驗(yàn)豬場(chǎng)豬的食物鏈，綜合環(huán)境氣候、飼養(yǎng)條件、飼料原料來源及營(yíng)養(yǎng)配方、豬消化模式和效率等因素，充分了解規(guī)模化豬場(chǎng)污水的成分組成、影響因素，并采用有針對(duì)性、特異性的藻種，優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

3.2.3 微藻生產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)

利用微藻技術(shù)處理養(yǎng)殖污水，根據(jù)廢水中碳、氮和磷的含量變化等實(shí)驗(yàn)室外大量生產(chǎn)微藻的環(huán)境影響因素，以及試驗(yàn)豬場(chǎng)現(xiàn)有條件的限制(非永久性建筑的要求，需通過可拆卸移動(dòng)的地上“槽膜”工藝)，構(gòu)建一個(gè)高效且適用于標(biāo)準(zhǔn)化管理的養(yǎng)藻系統(tǒng)(反應(yīng)器)，結(jié)合現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)，研發(fā)合理的技術(shù)體系和工藝流程，構(gòu)建出符合微藻污水處理的系統(tǒng)和生產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)管理方案。

3.3 微藻處理的工藝技術(shù)流程及說明

3.3.1 工藝技術(shù)

微藻處理的工藝技術(shù)流程見圖1。

3.3.2 技術(shù)流程說明

(1)微藻培養(yǎng)及處理

豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水在集中池固液分離，分離出的固體用來制作有機(jī)肥，液體進(jìn)行厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣主要成分是甲烷(50%～65%)和二氧化碳(45%～30%)，沼氣通過燃燒發(fā)電，可供養(yǎng)殖基地使用。厭氧發(fā)酵后的污水(沼液) 經(jīng)過沉淀、優(yōu)活菌和高效氣浮系統(tǒng)前期處理后，進(jìn)入微藻培養(yǎng)處理系統(tǒng)。

微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖可以以自營(yíng)方式(光合作用)或異營(yíng)方式(呼吸作用)進(jìn)行，除需要一定的陽光、CO2和O2外，還離不開氮、磷等元素。污水經(jīng)過前期處理(曝氣塘)后仍然富含各種營(yíng)養(yǎng)成分，可為藻細(xì)胞的生長(zhǎng)提供基本的養(yǎng)料。

按照微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)建立的藻池，其頂棚、圍墻、地面形成一個(gè)封閉的溫室，保溫性能強(qiáng)，透光性高，輔以專業(yè)的攪拌和曝氣設(shè)備，可為微藻在污水環(huán)境中的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。

污水排入藻池后，微藻吸收污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以生長(zhǎng)，同時(shí)降低污水的有機(jī)負(fù)荷，從而達(dá)到處理污水和培養(yǎng)微藻的雙重效果。微藻利用沼液中的養(yǎng)料生長(zhǎng)，可節(jié)省傳統(tǒng)處理方法所需的化學(xué)制劑，處理過程體現(xiàn)了環(huán)境友好型的特點(diǎn)。(2)微藻收獲

微藻收獲包括一個(gè)或多個(gè)固液分離步驟，通過沉淀、離心或過濾獲得，隨后進(jìn)行噴霧干燥或凍干干燥完成藻粉的回收。本試驗(yàn)采用碟式離心機(jī)和管式分離機(jī)進(jìn)行微藻脫水操作，隨后以回收干藻粉進(jìn)行后續(xù)附加值產(chǎn)品開發(fā)。

在藻種培育環(huán)節(jié)，透過高效檢測(cè)方法廣泛收集并建立藻種資源庫，篩選出耐污水、耐寒且富含葉黃素的藻種。在收集過程中，開展避免產(chǎn)物氧化、增加萃取物有效成分、提高萃取速度、無毒性、不污染環(huán)境等相關(guān)方面的研究。

3.4 試驗(yàn)項(xiàng)目

(1) 分析研究試驗(yàn)豬場(chǎng)豬的食物鏈，綜合環(huán)境氣候、飼養(yǎng)條件、飼料原料來源及營(yíng)養(yǎng)配方、豬消化模式和效率等因素。

(2) 持續(xù)采集豬場(chǎng)污水系統(tǒng)中各階段的污水，監(jiān)測(cè)水質(zhì)并進(jìn)行不同處理，以了解規(guī)?；i場(chǎng)污水的組成成分和影響因素。

(3) 廣泛收集不同來源的優(yōu)勢(shì)藻種資源，通過大量的測(cè)試和分析(圖2)，從中篩選出耐污水能力更強(qiáng)、生命力更強(qiáng)、易于提取的藻種。

圖2 篩選中的藻盤

(4) 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)馴化適應(yīng)規(guī)?；i場(chǎng)污水水質(zhì)及當(dāng)?shù)?華東地區(qū))氣候的藻種(圖3)。

圖3 污水馴化

(5) 馴化后的藻種逐步擴(kuò)大到室外光反應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行培育測(cè)試(圖4)。

(6) 擴(kuò)大到更大體積培養(yǎng)系統(tǒng)(圓池、跑道池)中進(jìn)行測(cè)試。

(7) 分析不同水質(zhì)、不同處理?xiàng)l件下微藻生長(zhǎng)狀況和污水水質(zhì)的降解狀況。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 試驗(yàn)表明，室內(nèi)藻盤-肖特瓶系統(tǒng)-光管-圓池的純?cè)迮囵B(yǎng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定提供藻源(圖5)。

(2) 室內(nèi)多次污水培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微藻最適培養(yǎng)條件為：起養(yǎng)濃度0.3 g/L，起養(yǎng)氨氮濃度300 mg/L，CO2混和曝氣。多次污水培養(yǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，微藻(小球藻BD09)能有效去除污水中的氨氮，COD 和總氮降幅相對(duì)較小。經(jīng)過2～3 次污水置換后，微藻對(duì)氨氮的去除率依然保持在75%以上，藻干重接近目標(biāo)值。

圖4 戶外光管系統(tǒng)培育中的微藻

圖5 培育中的藻種

(3) 在室外圓池體系試驗(yàn)中，微藻對(duì)污水的COD 去除率為77.3% (圖6)，氨氮去除率為98.6%(圖7)，總氮去除率為84.4%；同時(shí)，微藻細(xì)胞數(shù)最高達(dá)到6.03×107個(gè)，比起始增加了5.6 倍。

4.2 分析與結(jié)論

(1) 與小球藻相比，滅毒后的微藻具有耐污、細(xì)胞易結(jié)成團(tuán)塊上浮的特性，可能更利于室外深池培養(yǎng)及后續(xù)收成加工，但其在純培階段所需周期比小球藻略長(zhǎng)，可能由于沒有細(xì)胞壁，其對(duì)污水中的消毒劑及抗生素更為敏感，在初期污水試驗(yàn)中生長(zhǎng)不良。

(2) 在室外圓池體系試驗(yàn)中，微藻的生長(zhǎng)和水質(zhì)的降解都比跑道池體系好(圖8 和圖9)?？赡芤?yàn)閳A池池體淺(培養(yǎng)深度30 cm～40 cm)和光照充足，而跑道池在陽光大棚內(nèi)，池體比較深，光照相對(duì)不足。

圖8 戶外圓池培育中的污水藻

圖9 戶外跑道池培育中的污水藻

(3) 污水置換代數(shù)僅為2～3 次(理論/測(cè)算目標(biāo))，需要持續(xù)優(yōu)化。

(4) 本試驗(yàn)的時(shí)間在夏秋季，溫度較高，適合微藻生長(zhǎng)；對(duì)冬春季低溫期微藻的生長(zhǎng)繁殖及對(duì)豬場(chǎng)污水的處理效果，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。