基于微藻去污及吸附培养的畜禽养殖排放物处理技术研究

张 华

（衢州职业技术学院 机电工程学院，浙江 衢州 324000）

1 背景

畜牧业是衢州市农业的重要产业，生猪和家禽年饲养量均居全省前列，2015年全市畜牧业产值48亿元，占农业总产值34.4%，2018年，全市生猪饲养量260万头、家禽饲养量5374.8万羽[1]。随着生产的扩展，产生大量工农业生产污水(如沼液污泥、畜禽养殖废液等)，这些水体多富含N、P等营养物质。当前衢州举全市之力创建“美丽大花园”，所以对这些污染源的治理迫在眉睫。“五水共治”开展以来，衢州市以治水倒逼转型升级，把“五水共治”的成效体现在创新发展、转型发展上[2]。尽管“五水共治”已经产生一定的成果，但仍有短板。主要表现在：

（1）畜禽治理反弹压力很大。如衢江区高家镇溪西养殖废水污染农田、庙源溪养猪废水排入等。衢州市已经严格养殖规模，对违建、治污设施不到位和超规模的一律关停，表1是2016年衢州市第三季度生猪饲养量统计情况。

（2）创新模式有待提档。2013年以来，全市出台畜禽排泄物资源化利用扶植政策，龙游县、衢江区、江山市等地探索出利用动物排泄物生产有机肥和沼液的模式。但总体上受各种因素的制约，这些模式的复制、推行面不广。

（3）产业结构有待优化。畜禽养殖基地一般位于农村、山区等偏远地区，比较分散，受市场环境影响较大。常规的污水处理设备（如沼气循环系统）结构复杂，价格昂贵，治污设施的运行和维护无疑是一笔不小的开支。

鉴于当前存在的问题和发展短板，除了批评教育、政策引导甚至查处关闭等行政措施外，还应该创新理念，另辟蹊径，寻找突破，因势利导，合理组织，使畜禽养殖产业更加系统化、规范化、科学化，取得保护水环境和经济效益的双赢。

表1 衢州市2016年第三季度生猪饲养量统计（单位：万头）（资料来源：衢州市农业局）

2 微藻去污技术的应用

2.1 微藻及其培养

微藻是单细胞的低等植物，在地球上分布广泛。微藻具有光合效率高，生长速度快，产量高，不依赖于耕地和淡水资源[3]。近年来，微藻在水环境处理领域、生物柴油等方面的研究引发巨大关注[4]。

2.2 微藻吸附式固定化培养

研究指出，让微藻细胞附着在特定的吸附材料上生长（见图1），用于生物膜大规模培养及收获、除污，氮磷去除率好于悬浮培养[5]。国内外高校和科研机构等在微藻产油、去污等基础理论研究方面走在前列，一种摇摆振荡反应器[6]处理污水，牛粪污水氮磷去除率80%~90%，生物膜产量2.59g/m2/d。已经付诸实施的微藻生物膜培养系统Algal Turf scrubber(ATS)[7]进行城市的污水处理的工程，每年可以消耗1300kg/ha的氮以及330kg/ha的磷，并生产出40~50t/ha的生物质。福州大学沈英教授[8]的再生能源实验室团队承担的国家和省级自然科学基金项目，较系统的开展过微藻培养与沼液脱氮磷的耦合机制研究，在理论研究与企业合作方面积累了很多经验和成果。

图1 固定化培养的微藻

3 建设方案与技术成果推广

3.1 研究方案

将畜禽养殖基地的动物粪便及废水引入溶解罐，并搅拌，使之充分溶解，然后对废水进行过滤，监测水质及营养成分，过滤后的残渣可供沼气转化设备使用。滤去杂质、颗粒的废水送给吸附式微藻培养设备（拟采用多组滚筒式装置）供微藻生长吸收，培养一段时间后，这部分悬浮液引入层级式平板反应器进行二次吸收和沉淀，当废水中氮磷等成分基本去除后，采收设备开始收获微藻藻体。干燥后的藻粉储存起来，可供提取生物柴油、蛋白质等高附加值产品。

3.2 技术路线

技术路线及系统组成运行原理，如图2所示：

图2 系统组成及运行原理图

3.3 研发内容、成果和技术指标

3．3．1 研发内容

（1）结合实际，基于前期研究成果，从小球藻属Chlorella vulgaris、栅藻属Scenedesmus dimorphus、土生绿球藻Chlorococcum humicola和富油菌株布朗葡萄藻Botryococcus braunii等常见藻类中筛选1～2中生长速度快，环境耐受性强，工程应用性好的微藻菌株，以保证较少的人力、资源投入。

（2）研发一套可用于畜禽养殖基地的微藻废水处理装备。①设计、调试和运行维护微藻去污设备；②水质监测、微藻生物质的后续处理等；③建立设备运行评价的长效机制，确保污水处理的整个过程力求达到低碳、绿色、环保。

3．3．2 技术指标

（1）研究微藻环境适应性（比如高氮、高温、极端温度耐受能力等）、污水环境中微藻的生长速度和菌种稳定性。

（2）微藻去污设备的设计、调试和运行维护。①设备结构（选址、空间布置、几何参数尺寸、耦合能力），反应器设想模型如图3所示；②环境因素（光照强度、环境温度等）；③生产要素（资金、材料、土地资源、人力、动力设备、水电供应）；④运行维护（水质监测、风险应对、运行速度）；⑤后续处理（如微藻采收与储存等）等。

图3 模型设想

图4 层级平板式生物反应器

拟占地面积10m2左右，并能根据养殖规模的变化调整废水处理量。日处理畜禽粪便和废水10t，实现养殖废水少排放甚至零排放。污水氮磷去除率90%以上，年获得50kg微藻生物质，促使微藻生物质高效转化，获得生物柴油等高附加值产品。计算污水处理设备投入与产出，评价设备运行的可行性、稳定性、经济性。与沼气除污设施优势互补，开展多试点研究，提高设备运行的可复制性和市场占有率，取得一定经济效益。

3.4 研发成果

3．4．1提出一种微藻生物膜的培养方法

提出一种微藻生物膜的培养方法，Botryococcus braunii在生长过程中利用分泌的胞外聚合物刺激培养生物膜藻体以提高微藻的油脂积累量[9]。

3．4．2分析吸附生长方式下微藻细胞适应畜禽污水环境的机理

为了研究吸附生长方式下微藻细胞适应畜禽污水环境的机理，对微绿球藻Chlorococcum hu-micola进行畜禽污水培养，从氮磷浓度、藻种特性、培养基环境等要素考察微藻氮磷吸收、生物膜产量、吸附率及生长适应性。结果显示：由于畜禽养殖污水培养基的营养和微生物环境、胞外聚合物EPS等的积极作用，吸附培养有助于氮磷吸收和微藻生长，且Chlorococcum sp.具有柔性的环境适应性，包括细胞活性和吸附生长能力，氮抑制、氮缺乏条件下微藻细胞的缓冲生长策略等[10]。

3．4．3 建立生物反应器模型

建立层级平板式生物反应器，结构如图4，反应器共4层，每层设有平板玻璃槽，尺寸110cm×27.5cm，槽底部用玻璃纤维增强塑料板（Glassfiber Reinforced Plastic，GFRP，厚 1mm）作为吸附材料。玻璃槽中分别加入培养基10L[10]。

3.5 成果应用与衢州的推广优势

基础设施（或研发机构）方面，衢州有龙游县的“开启模式”、衢江区的“宁莲模式”以及江山的“石明模式”等研发基础。其中浙江开启能源科技有限公司，成立于2009年，总投资8000余万元，占地100余亩，是全国首个以生猪排泄物为原料集中治理的项目，并被省委省政府列为“五水共治”全省推广的“开启模式”，构建了生猪排泄物→沼气发电→有机肥生产→种植业→养殖业的循环产业链。但是利用微藻清洁畜禽养殖废水目前在衢州范围内还没有大规模产业化应用。

地理环境方面，衢州市位于东经118°01′～119°20′，北纬 28°14′～29°30′，属亚热带季风气候区，年平均气温为16.3～17.4℃。四季分明，春早秋短夏长，光热充足、降水丰沛、气温适中的特征，非常适宜藻类的生长，自然环境中经常发现有野生藻类存在。这些都为微藻培养和利用提供了良好的环境条件。

2018年，衢州市把畜牧业绿色发展示范市建设列入市委市政府重点工作，且要融入“美丽大花园”建设。如果衢州市抓住这一契机，整合资源，变废为宝，将微藻培养与畜禽养殖污水结合，一方面实现废弃资源的再利用和保护环境，另一方面又可获得大量的微藻生物质，既净化了淡水环境，又降低了微藻培养成本。得到的微藻生物质干燥后，可以用作动物饲料、提取高附加值产品，对一些富油藻类还可以提炼生物柴油，以缓解日益紧张的化石燃料，一举多得，符合低碳经济、循环经济理念，经济价值和社会效益可观。

4 结 论

十八大以来，生态文明建设提上重要位置，绿色发展、保护环境、促进人与自然和谐相处和经济社会的可持续发展逐步深入人心。以生态文明建设为宗旨，以“五水共治”为契机，立足衢州市水环境建设在全省中的重要地位和废水治污技术现状的实际，利用微藻培养高效吸收废水中的氮、磷等营养成分的手段，创新动物粪便处理和废水去污新技术和设备，探索行之有效的科学化、系统化、产业化的畜禽养殖行业发展新路子。