微藻凈化豬場(chǎng)沼液研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

冉志平夏禎霞濮振宇石金龍彭霞鄧兵

(1.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 武漢 430208；2.牧原食品股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473000；3.武漢益多康生物技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205)

1 微藻的生理特性

微藻是自然水體中重要的凈水生物，常見的凈水微藻主要是綠藻和硅藻。這些藻可以利用污水中的氮、磷等合成蛋白質(zhì)、維生素、不飽和脂肪酸等物質(zhì)，成為魚蝦等幼體水生動(dòng)物的天然餌料。其兼具自養(yǎng)和異養(yǎng)能力，既能夠在光照條件下利用光合作用固定二氧化碳后進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)，也可以不依靠光照直接利用含碳有機(jī)物維持生命活動(dòng)。其共同特點(diǎn)為生長(zhǎng)周期短、生長(zhǎng)速度快。微藻合成的生物質(zhì)可以作為生物柴油、保健食品原料、動(dòng)物飼料等。

2 豬場(chǎng)沼液的特點(diǎn)

我國(guó)是豬肉消費(fèi)大國(guó)，據(jù)2020年1月17日國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全國(guó)生豬出欄54419萬(wàn)頭，比上年下降21.6%[1]。規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)每存欄1萬(wàn)頭生豬，每年會(huì)產(chǎn)生約1.5～2萬(wàn)t的沼液，據(jù)此估算我國(guó)每年產(chǎn)生的沼液可達(dá)到8～10億t以上，且排放量逐年增加。

沼液的成分非常復(fù)雜，從組成元素來(lái)看，主要為N、P、K等，微量元素包括Na、Ca、Mg、Fe等，還有一些重金屬元素。沼液中的氮一般以氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和少量的有機(jī)氮組成，磷的存在形式主要是磷酸鹽，生物活性物質(zhì)一般為維生素、抗生素、水解酶、植物生長(zhǎng)激素、多種氨基酸、硫化物、腐殖酸等。

養(yǎng)豬廢水的化學(xué)需氧量COD、氨氮(NH4+-N)含量高，氮磷比(N/P)失調(diào)，陳貴等取樣發(fā)現(xiàn)沼液儲(chǔ)存池沼液不同時(shí)間采集時(shí)沼液中氮、磷和鉀含量的變異幅度均較大，變異系數(shù)范圍分別為28.1%～55.6%，57.4%～68.3%和48.0%～55.7%；沼液中氮、磷和鉀含量范圍分別為260～1358mg·L-1，4.52～49.1mg·L-1和29.0～259mg·L-1。COD含量不同時(shí)間為637～3559mg·L-1[2]。Ho等測(cè)得養(yǎng)豬沼液中pH在8.2～8.5，COD含量7134～7924mg·L-1，氨氮含量2104～2111mg·L-1，總堿度5375～5650mg·L-1，總懸浮物7～7.5g·L-1[3]。章萍等測(cè)得沼液中TN、TP、生化需氧量(BOD)分別為200～800mg·L-1、20～90mg·L-1、800～200mg·L-1[4]。由此可見，不同豬場(chǎng)沼液因?yàn)榘l(fā)酵原料、發(fā)酵工藝、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵濃度以及發(fā)酵過(guò)程控制等影響因素，導(dǎo)致沼液的成分差異較大，因此在利用和處理時(shí)要特別注意掌握沼液的特性，減少不合理利用帶來(lái)的危害。

3 微藻凈化沼液的原理

微藻實(shí)現(xiàn)沼液的凈化主要是對(duì)TN(主要是NH4+-N)、TP、COD、抗生素的去除。沼液中的碳元素主要為有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳，無(wú)機(jī)碳包括HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3-，而微藻可以直接利用的只有CO2、HCO3-，此外微藻可以通過(guò)光異養(yǎng)和化能異養(yǎng)將沼液中的有機(jī)污染物作為自身生長(zhǎng)所需的碳源和能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)沼液的凈化。沼液中的氮以無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮的形式存在，無(wú)機(jī)氮包括氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和亞硝態(tài)氮(NO2--N)，有機(jī)氮源主要是未分解的蛋白質(zhì)、氨基酸和尿素等，微藻因?yàn)樽陨淼纳L(zhǎng)需要會(huì)吸收各類無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為自身需要的遺傳和代謝物質(zhì)。值得注意的是，微藻可直接吸收利用NH4+-N，而NO3--N和NO2--N需要在還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為NH4+-N才能夠被吸收，所以微藻會(huì)優(yōu)先利用沼液中的NH4+-N[5]。另外，當(dāng)沼液中NH4+-N含量較高時(shí)，體系為強(qiáng)酸弱堿鹽，隨著微藻對(duì)NH4+-N的利用，pH會(huì)升高，一部分NH4+-N也會(huì)隨之揮發(fā)，進(jìn)而起到凈化的作用[6]。微藻可以利用污水中的磷鹽，轉(zhuǎn)換成自身必不可少的核酸、蛋白質(zhì)，以及碳水化合物和脂類等，從而實(shí)現(xiàn)沼液中磷的去除，或者改變沼液pH使溶解氧升高導(dǎo)致磷酸鹽沉淀[7]。微藻還能通過(guò)自身代謝途徑去除沼液中的部分抗生素，提高沼液后續(xù)利用的安全性。

4 微藻凈化豬場(chǎng)沼液的研究現(xiàn)狀

微藻用于處理污水最早提出于20世紀(jì)50年代，隨著微藻處理污水技術(shù)研究越來(lái)越多，使用范圍越來(lái)越廣泛。常見的應(yīng)用于污水處理的微藻主要有柵藻、小球藻、衣藻、螺旋藻和顫藻等。吳盼盼篩選出能適應(yīng)養(yǎng)豬沼液的微藻，經(jīng)鑒定屬于小球藻屬，該小球藻對(duì)未經(jīng)稀釋的養(yǎng)豬沼液中TN、TP、NH4+-N、COD的最終去除率達(dá)到51%、90%、61%、78.32%[8]。邵瑜通過(guò)改變廢水N/P，分析柵藻對(duì)氮磷的去除效果發(fā)現(xiàn)，各N/P處理組均有較高的氮磷去除率。在N/P比分別為33∶1、23∶1、17∶1、14∶1、12∶1的廢水中總磷的去除率分別可以達(dá)到93.58%、94.95%、95.43%、96.21%和97.36%；氨氮的去除效率可達(dá)到74.67%、77.73%、79.87%、80.40%、和81.89%[9]。彭春燕等選取一種小球藻在小范圍柱狀跑道池中應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)TN、TP、NH4+-N、BOD去除率可達(dá)96.41%、97.70%、99.42%和64.81%[10]。劉林林等選取了15株不同的微藻研究發(fā)現(xiàn)，斜生柵藻和多棘柵藻對(duì)沼液中NH4+-N、TN和NO3--N的去除效果有差異，但是對(duì)TP的去除率可以達(dá)到91%以上[11]。

目前許多微藻凈化沼液的研究會(huì)結(jié)合生產(chǎn)高價(jià)值的附加產(chǎn)品，豬場(chǎng)沼液可以成為微藻生長(zhǎng)的良好培養(yǎng)基，為微藻生長(zhǎng)提供養(yǎng)分來(lái)源，實(shí)現(xiàn)沼液的循環(huán)利用。如，孫宏等篩選了一株小球藻，對(duì)沼液硝酸鹽氮、總氮、總磷和化學(xué)需氧量等水質(zhì)指標(biāo)的去除效果最好，去除率分別達(dá)到94.5%、90.0%、94.8%和46.1%；培養(yǎng)15d微藻油脂和蛋白質(zhì)含量較高分別為36.5±2.271%、34.2±1.518%[12]。李成斌將小球藻的養(yǎng)殖與沼液凈化耦合，微藻生長(zhǎng)15d時(shí)對(duì)沼液COD、TP、TN和NH4+-N的去除率分別為87.60%、87.78%、58.64%和95.25%，使養(yǎng)殖沼液達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，微藻生物量為59.06mg·L-1，油脂產(chǎn)量達(dá)到23.85mg·L-1，具有新能源開發(fā)潛力[13]。

菌藻聯(lián)合凈化沼液的研究效果顯著，Ghulam等用活性污泥和小球藻構(gòu)建藻-菌共生體處理污水，發(fā)現(xiàn)在菌藻接種比為0.5的條件下，TP的初始質(zhì)量濃度為1.3mg·L-1，經(jīng)菌藻接種24h后可完全去除；氨氮初始質(zhì)量濃度為28.7mg·L-1，經(jīng)菌藻處理84h以后，去除率達(dá)到95%[14]。羅龍?jiān)淼劝l(fā)現(xiàn)，構(gòu)建有機(jī)物降解菌強(qiáng)化微藻資源化利用豬場(chǎng)沼液體系，添加有機(jī)物降解菌使微藻系統(tǒng)中微生物多樣性明顯增加，且主要以有機(jī)物降解菌數(shù)為主，其加速有機(jī)物的分解，為微藻生長(zhǎng)提供無(wú)機(jī)碳源和降低溶解氧累積，從而促進(jìn)微藻生長(zhǎng)和廢水中氮磷去除，其中微藻對(duì)氨氮和總磷的吸收率分別較對(duì)照處理提高6.37mg·L-1·d-1和0.59mg·L-1·d-1[15]。

5 問(wèn)題與展望

目前微藻凈化污水的研究越來(lái)越多，凈化沼液后微藻的資源化利用主要根據(jù)微藻本身的特性集中在水產(chǎn)養(yǎng)殖、動(dòng)物飼料添加劑及生物能源等方面。

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模世界第一，對(duì)餌料微藻的需求量巨大。微藻可以為魚類提供優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)，且微藻中含有豐富而均衡的營(yíng)養(yǎng)成分和各種生物活性物質(zhì)，可以滿足魚類生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)需要。另外，水產(chǎn)養(yǎng)殖密度高，微藻可以提高水中的溶解氧，降低魚類因缺氧導(dǎo)致的死亡率。

微藻富含高品質(zhì)的不飽和脂肪酸，尤其是ω-3系列多不飽和脂肪酸含量豐富。規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)主要采用的谷物飼料原料中不飽和脂肪酸含量低，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不均衡，需要添加相應(yīng)的飼料添加劑。將微藻添加到飼糧中既可提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能，還能夠解決目前魚粉、魚油等飼料原料匱乏的現(xiàn)狀。

富油微藻的藻細(xì)胞內(nèi)脂肪酸組成與優(yōu)質(zhì)植物油極其相似，作為光合性微藻，能源密度高，是生物能源的首選原材料。利用富油微藻凈化沼液后，對(duì)其收集后用于生物燃料也是其應(yīng)用的一個(gè)重要途徑。

目前依舊有許多問(wèn)題制約著凈化沼液后的微藻資源化利用。在利用微藻對(duì)沼液凈化后是否會(huì)富集重金屬、抗生素，影響微藻品質(zhì)，有待進(jìn)一步研究。微藻的收集成本高或收集系統(tǒng)不完善，降低了微藻開發(fā)利用的價(jià)值。只有解決了凈化后微藻的資源化利用問(wèn)題，微藻凈化沼液的技術(shù)才能更具實(shí)用價(jià)值和可持續(xù)性。