基于微藻去污及吸附培養(yǎng)的畜禽養(yǎng)殖排放物處理技術(shù)研究

張 華

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

1 背景

畜牧業(yè)是衢州市農(nóng)業(yè)的重要產(chǎn)業(yè)，生豬和家禽年飼養(yǎng)量均居全省前列，2015年全市畜牧業(yè)產(chǎn)值48億元，占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值34.4%，2018年，全市生豬飼養(yǎng)量260萬(wàn)頭、家禽飼養(yǎng)量5374.8萬(wàn)羽[1]。隨著生產(chǎn)的擴(kuò)展，產(chǎn)生大量工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水(如沼液污泥、畜禽養(yǎng)殖廢液等)，這些水體多富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)前衢州舉全市之力創(chuàng)建“美麗大花園”，所以對(duì)這些污染源的治理迫在眉睫?！拔逅仓巍遍_(kāi)展以來(lái)，衢州市以治水倒逼轉(zhuǎn)型升級(jí)，把“五水共治”的成效體現(xiàn)在創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型發(fā)展上[2]。盡管“五水共治”已經(jīng)產(chǎn)生一定的成果，但仍有短板。主要表現(xiàn)在：

（1）畜禽治理反彈壓力很大。如衢江區(qū)高家鎮(zhèn)溪西養(yǎng)殖廢水污染農(nóng)田、廟源溪養(yǎng)豬廢水排入等。衢州市已經(jīng)嚴(yán)格養(yǎng)殖規(guī)模，對(duì)違建、治污設(shè)施不到位和超規(guī)模的一律關(guān)停，表1是2016年衢州市第三季度生豬飼養(yǎng)量統(tǒng)計(jì)情況。

（2）創(chuàng)新模式有待提檔。2013年以來(lái)，全市出臺(tái)畜禽排泄物資源化利用扶植政策，龍游縣、衢江區(qū)、江山市等地探索出利用動(dòng)物排泄物生產(chǎn)有機(jī)肥和沼液的模式。但總體上受各種因素的制約，這些模式的復(fù)制、推行面不廣。

（3）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。畜禽養(yǎng)殖基地一般位于農(nóng)村、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，比較分散，受市場(chǎng)環(huán)境影響較大。常規(guī)的污水處理設(shè)備（如沼氣循環(huán)系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，治污設(shè)施的運(yùn)行和維護(hù)無(wú)疑是一筆不小的開(kāi)支。

鑒于當(dāng)前存在的問(wèn)題和發(fā)展短板，除了批評(píng)教育、政策引導(dǎo)甚至查處關(guān)閉等行政措施外，還應(yīng)該創(chuàng)新理念，另辟蹊徑，尋找突破，因勢(shì)利導(dǎo)，合理組織，使畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)更加系統(tǒng)化、規(guī)范化、科學(xué)化，取得保護(hù)水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

表1 衢州市2016年第三季度生豬飼養(yǎng)量統(tǒng)計(jì)（單位：萬(wàn)頭）（資料來(lái)源：衢州市農(nóng)業(yè)局）

2 微藻去污技術(shù)的應(yīng)用

2.1 微藻及其培養(yǎng)

微藻是單細(xì)胞的低等植物，在地球上分布廣泛。微藻具有光合效率高，生長(zhǎng)速度快，產(chǎn)量高，不依賴(lài)于耕地和淡水資源[3]。近年來(lái)，微藻在水環(huán)境處理領(lǐng)域、生物柴油等方面的研究引發(fā)巨大關(guān)注[4]。

2.2 微藻吸附式固定化培養(yǎng)

研究指出，讓微藻細(xì)胞附著在特定的吸附材料上生長(zhǎng)（見(jiàn)圖1），用于生物膜大規(guī)模培養(yǎng)及收獲、除污，氮磷去除率好于懸浮培養(yǎng)[5]。國(guó)內(nèi)外高校和科研機(jī)構(gòu)等在微藻產(chǎn)油、去污等基礎(chǔ)理論研究方面走在前列，一種搖擺振蕩反應(yīng)器[6]處理污水，牛糞污水氮磷去除率80%~90%，生物膜產(chǎn)量2.59g/m2/d。已經(jīng)付諸實(shí)施的微藻生物膜培養(yǎng)系統(tǒng)Algal Turf scrubber(ATS)[7]進(jìn)行城市的污水處理的工程，每年可以消耗1300kg/ha的氮以及330kg/ha的磷，并生產(chǎn)出40~50t/ha的生物質(zhì)。福州大學(xué)沈英教授[8]的再生能源實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國(guó)家和省級(jí)自然科學(xué)基金項(xiàng)目，較系統(tǒng)的開(kāi)展過(guò)微藻培養(yǎng)與沼液脫氮磷的耦合機(jī)制研究，在理論研究與企業(yè)合作方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)和成果。

圖1 固定化培養(yǎng)的微藻

3 建設(shè)方案與技術(shù)成果推廣

3.1 研究方案

將畜禽養(yǎng)殖基地的動(dòng)物糞便及廢水引入溶解罐，并攪拌，使之充分溶解，然后對(duì)廢水進(jìn)行過(guò)濾，監(jiān)測(cè)水質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分，過(guò)濾后的殘?jiān)晒┱託廪D(zhuǎn)化設(shè)備使用。濾去雜質(zhì)、顆粒的廢水送給吸附式微藻培養(yǎng)設(shè)備（擬采用多組滾筒式裝置）供微藻生長(zhǎng)吸收，培養(yǎng)一段時(shí)間后，這部分懸浮液引入層級(jí)式平板反應(yīng)器進(jìn)行二次吸收和沉淀，當(dāng)廢水中氮磷等成分基本去除后，采收設(shè)備開(kāi)始收獲微藻藻體。干燥后的藻粉儲(chǔ)存起來(lái)，可供提取生物柴油、蛋白質(zhì)等高附加值產(chǎn)品。

3.2 技術(shù)路線(xiàn)

技術(shù)路線(xiàn)及系統(tǒng)組成運(yùn)行原理，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理圖

3.3 研發(fā)內(nèi)容、成果和技術(shù)指標(biāo)

3．3．1 研發(fā)內(nèi)容

（1）結(jié)合實(shí)際，基于前期研究成果，從小球藻屬Chlorella vulgaris、柵藻屬Scenedesmus dimorphus、土生綠球藻Chlorococcum humicola和富油菌株布朗葡萄藻Botryococcus braunii等常見(jiàn)藻類(lèi)中篩選1～2中生長(zhǎng)速度快，環(huán)境耐受性強(qiáng)，工程應(yīng)用性好的微藻菌株，以保證較少的人力、資源投入。

（2）研發(fā)一套可用于畜禽養(yǎng)殖基地的微藻廢水處理裝備。①設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)微藻去污設(shè)備；②水質(zhì)監(jiān)測(cè)、微藻生物質(zhì)的后續(xù)處理等；③建立設(shè)備運(yùn)行評(píng)價(jià)的長(zhǎng)效機(jī)制，確保污水處理的整個(gè)過(guò)程力求達(dá)到低碳、綠色、環(huán)保。

3．3．2 技術(shù)指標(biāo)

（1）研究微藻環(huán)境適應(yīng)性（比如高氮、高溫、極端溫度耐受能力等）、污水環(huán)境中微藻的生長(zhǎng)速度和菌種穩(wěn)定性。

（2）微藻去污設(shè)備的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)。①設(shè)備結(jié)構(gòu)（選址、空間布置、幾何參數(shù)尺寸、耦合能力），反應(yīng)器設(shè)想模型如圖3所示；②環(huán)境因素（光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等）；③生產(chǎn)要素（資金、材料、土地資源、人力、動(dòng)力設(shè)備、水電供應(yīng)）；④運(yùn)行維護(hù)（水質(zhì)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)、運(yùn)行速度）；⑤后續(xù)處理（如微藻采收與儲(chǔ)存等）等。

圖3 模型設(shè)想

圖4 層級(jí)平板式生物反應(yīng)器

擬占地面積10m2左右，并能根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模的變化調(diào)整廢水處理量。日處理畜禽糞便和廢水10t，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水少排放甚至零排放。污水氮磷去除率90%以上，年獲得50kg微藻生物質(zhì)，促使微藻生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化，獲得生物柴油等高附加值產(chǎn)品。計(jì)算污水處理設(shè)備投入與產(chǎn)出，評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行的可行性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。與沼氣除污設(shè)施優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，開(kāi)展多試點(diǎn)研究，提高設(shè)備運(yùn)行的可復(fù)制性和市場(chǎng)占有率，取得一定經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 研發(fā)成果

3．4．1提出一種微藻生物膜的培養(yǎng)方法

提出一種微藻生物膜的培養(yǎng)方法，Botryococcus braunii在生長(zhǎng)過(guò)程中利用分泌的胞外聚合物刺激培養(yǎng)生物膜藻體以提高微藻的油脂積累量[9]。

3．4．2分析吸附生長(zhǎng)方式下微藻細(xì)胞適應(yīng)畜禽污水環(huán)境的機(jī)理

為了研究吸附生長(zhǎng)方式下微藻細(xì)胞適應(yīng)畜禽污水環(huán)境的機(jī)理，對(duì)微綠球藻Chlorococcum hu-micola進(jìn)行畜禽污水培養(yǎng)，從氮磷濃度、藻種特性、培養(yǎng)基環(huán)境等要素考察微藻氮磷吸收、生物膜產(chǎn)量、吸附率及生長(zhǎng)適應(yīng)性。結(jié)果顯示：由于畜禽養(yǎng)殖污水培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)和微生物環(huán)境、胞外聚合物EPS等的積極作用，吸附培養(yǎng)有助于氮磷吸收和微藻生長(zhǎng)，且Chlorococcum sp.具有柔性的環(huán)境適應(yīng)性，包括細(xì)胞活性和吸附生長(zhǎng)能力，氮抑制、氮缺乏條件下微藻細(xì)胞的緩沖生長(zhǎng)策略等[10]。

3．4．3 建立生物反應(yīng)器模型

建立層級(jí)平板式生物反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如圖4，反應(yīng)器共4層，每層設(shè)有平板玻璃槽，尺寸110cm×27.5cm，槽底部用玻璃纖維增強(qiáng)塑料板（Glassfiber Reinforced Plastic，GFRP，厚 1mm）作為吸附材料。玻璃槽中分別加入培養(yǎng)基10L[10]。

3.5 成果應(yīng)用與衢州的推廣優(yōu)勢(shì)

基礎(chǔ)設(shè)施（或研發(fā)機(jī)構(gòu)）方面，衢州有龍游縣的“開(kāi)啟模式”、衢江區(qū)的“寧蓮模式”以及江山的“石明模式”等研發(fā)基礎(chǔ)。其中浙江開(kāi)啟能源科技有限公司，成立于2009年，總投資8000余萬(wàn)元，占地100余畝，是全國(guó)首個(gè)以生豬排泄物為原料集中治理的項(xiàng)目，并被省委省政府列為“五水共治”全省推廣的“開(kāi)啟模式”，構(gòu)建了生豬排泄物→沼氣發(fā)電→有機(jī)肥生產(chǎn)→種植業(yè)→養(yǎng)殖業(yè)的循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。但是利用微藻清潔畜禽養(yǎng)殖廢水目前在衢州范圍內(nèi)還沒(méi)有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

地理環(huán)境方面，衢州市位于東經(jīng)118°01′～119°20′，北緯 28°14′～29°30′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為16.3～17.4℃。四季分明，春早秋短夏長(zhǎng)，光熱充足、降水豐沛、氣溫適中的特征，非常適宜藻類(lèi)的生長(zhǎng)，自然環(huán)境中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有野生藻類(lèi)存在。這些都為微藻培養(yǎng)和利用提供了良好的環(huán)境條件。

2018年，衢州市把畜牧業(yè)綠色發(fā)展示范市建設(shè)列入市委市政府重點(diǎn)工作，且要融入“美麗大花園”建設(shè)。如果衢州市抓住這一契機(jī)，整合資源，變廢為寶，將微藻培養(yǎng)與畜禽養(yǎng)殖污水結(jié)合，一方面實(shí)現(xiàn)廢棄資源的再利用和保護(hù)環(huán)境，另一方面又可獲得大量的微藻生物質(zhì)，既凈化了淡水環(huán)境，又降低了微藻培養(yǎng)成本。得到的微藻生物質(zhì)干燥后，可以用作動(dòng)物飼料、提取高附加值產(chǎn)品，對(duì)一些富油藻類(lèi)還可以提煉生物柴油，以緩解日益緊張的化石燃料，一舉多得，符合低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益可觀(guān)。

4 結(jié) 論

十八大以來(lái)，生態(tài)文明建設(shè)提上重要位置，綠色發(fā)展、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)人與自然和諧相處和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展逐步深入人心。以生態(tài)文明建設(shè)為宗旨，以“五水共治”為契機(jī)，立足衢州市水環(huán)境建設(shè)在全省中的重要地位和廢水治污技術(shù)現(xiàn)狀的實(shí)際，利用微藻培養(yǎng)高效吸收廢水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分的手段，創(chuàng)新動(dòng)物糞便處理和廢水去污新技術(shù)和設(shè)備，探索行之有效的科學(xué)化、系統(tǒng)化、產(chǎn)業(yè)化的畜禽養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展新路子。