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

摘? 要：本試驗(yàn)旨在探索用微藻資源化模式進(jìn)行豬場(chǎng)污水處理。試驗(yàn)在華東地區(qū)一家種豬場(chǎng)進(jìn)行，通過(guò)污水收集、藻種篩選及培養(yǎng)、微藻處理及收集、微藻脫水干燥及藻粉加工等工藝，驗(yàn)證微藻處理豬場(chǎng)污水的效果。通過(guò)多次污水培養(yǎng)測(cè)試，室內(nèi)微藻（小球藻BD09）能有效去除污水中的氨氮，對(duì)氨氮去除率保持在75%以上;在室外圓池體系實(shí)驗(yàn)中，微藻對(duì)污水COD去除率為77.3%，氨氮的去除率為98.6%，總氮去除率為84.4%，同時(shí)，微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)最高達(dá)到6.03×107個(gè)，比起始增加了5.6倍。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，微藻資源化模式作為一種新型的處理模式，可以有效地處理豬場(chǎng)污水。

關(guān)鍵詞：豬場(chǎng)污水;微藻;資源化處理;氨氮;COD;藻粉

中圖分類(lèi)號(hào)：S811.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-0769（2021）01-0020-06

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；l(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(wèn)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(jiàn)》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(guò)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(lái)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(guò)土地的消納，該模式解決了糞污的利用問(wèn)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(guò)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(wèn)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(lái)，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(lèi)植物種類(lèi)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(yáng)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型依賴(lài)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(kāi)發(fā)價(jià)值。

研究人員很早就注意到自然界中微藻類(lèi)生物具有十分強(qiáng)大的吸收轉(zhuǎn)化氨氮的能力，并且開(kāi)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(lèi)污水生物處理技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。目前，多個(gè)國(guó)家開(kāi)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(wèn)題需要解決。近年來(lái)，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?/p>

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(lèi)，試驗(yàn)將畜禽糞污作為營(yíng)養(yǎng)源培養(yǎng)微藻，通過(guò)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(kāi)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(wèn)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 m?;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(lái)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(mǎn)足自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求，隨后通過(guò)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(guò)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(lèi)型污染水體（規(guī)?；i場(chǎng)）及當(dāng)?shù)貧夂颍ㄈA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(guò)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(lái)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)?；i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(guò)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(shuō)明

3.3.1 工藝技術(shù)

微藻處理的工藝技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

3.3.2 技術(shù)流程說(shuō)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(lái)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(guò)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(guò)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(yáng)光、CO2和O2外，還離不開(kāi)氮、磷等元素。污水經(jīng)過(guò)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(zhuān)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(guò)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(guò)沉淀、離心或過(guò)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(kāi)發(fā)。

在藻種培育環(huán)節(jié)，透過(guò)高效檢測(cè)方法廣泛收集并建立藻種資源庫(kù)，篩選出耐污水、耐寒且富含葉黃素的藻種。在收集過(guò)程中，開(kāi)展避免產(chǎn)物氧化、增加萃取物有效成分、提高萃取速度、無(wú)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(lái)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)模化豬場(chǎng)污水的組成成分和影響因素。

（3） 廣泛收集不同來(lái)源的優(yōu)勢(shì)藻種資源，通過(guò)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。

（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)兀ㄈA東地區(qū)）氣候的藻種（圖3）。

（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(pán)-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(guò)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。

（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(méi)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(yáng)光大棚內(nèi)，池體比較深，光照相對(duì)不足。

（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。