猪场污水微藻处理方法在华东地区的试验

姜红菊 李步社 韩雪峻 张和军 宋团伟 陈志祥 张刚

摘  要：本试验旨在探索用微藻资源化模式进行猪场污水处理。试验在华东地区一家种猪场进行，通过污水收集、藻种筛选及培养、微藻处理及收集、微藻脱水干燥及藻粉加工等工艺，验证微藻处理猪场污水的效果。通过多次污水培养测试，室内微藻（小球藻BD09）能有效去除污水中的氨氮，对氨氮去除率保持在75%以上;在室外圆池体系实验中，微藻对污水COD去除率为77.3%，氨氮的去除率为98.6%，总氮去除率为84.4%，同时，微藻细胞的生长最高达到6.03×107个，比起始增加了5.6倍。初步试验结果表明，微藻资源化模式作为一种新型的处理模式，可以有效地处理猪场污水。

关键词：猪场污水;微藻;资源化处理;氨氮;COD;藻粉

中图分类号：S811.5 文献标志码：A 文章编号：1001-0769（2021）01-0020-06

随着畜禽养殖业的规模化发展，高密度的畜禽养殖模式，集中、持续地产生了大量的粪污，如何科学有效地处理养殖业的粪污，成为业内面临的焦点问题。针对畜禽粪污處理，国家高度重视并支持绿色、资源化的处理技术。2016年，国家发展和改革委员会、农业农村部、国家林业局在《关于加快发展农业循环经济的指导意见》中指出，粪污资源化利用的重点领域和主要任务是：推进资源利用节约化，推进生产过程清洁化，推进产业链接循环化，推进农林废弃物处理资源化。

对畜牧业而言，越来越严格的环境控制标准迫使养殖场摒弃成本高且效率低的传统化工反应处理工艺，促使为畜牧业污染物资源化处理和综合利用探索出一条新的技术途径。其中，种养结合是一种较普遍的粪污资源化利用模式，尤其是对污水的利用，该模式有较大的优势。种养结合目前常用的物质生态循环利用方式主要是种植业-养殖业-沼气工程三结合模式。通过土地的消纳，该模式解决了粪污的利用问题。但在部分经济发达地区，如长江三角洲、珠江三角洲，因为缺乏可消纳的农用土地，这种大面积、大规模的处理模式很难得到应用。另外，在这个三结合模式中，虽然能通过沼气产生一定的能量，但需要排出二氧化碳，会影响环境;同时，该处理模式对污水中有机资源的利用并不高，很难高效解决畜牧业污水达标排放问题。

为此，探索新的处理模式，高效解决养殖业粪污，是当前一个紧迫的课题。近年来，用微藻处理养殖业粪污是一个新的发展方向。2018年，我们在华东地区一家种猪场进行了利用微藻资源化模式处理猪场污水的推广试验，现将前期试验情况介绍如下。

1  微藻处理模式的国内外研究现状

传统污水处理在有效降低氮和磷的含量上存在一定的局限性，微藻处理模式的发展为这一难题提供了解决思路。藻类植物种类繁多，分布广泛，对环境的适应力较强，其利用光合作用可以把太阳能转化为自身生物量，从而实现能源的高效利用。利用养殖污水培养藻类既可以高效去除污水中的氮和磷等污染物，还可以产生大量的藻类生物源，这些生物源可以作为饲料、肥料或燃料等用于农业生产，是污水资源化处理利用的有力手段。基于微藻的高价值产物合成改造及抗逆性能改造，也将突破藻种类型依赖驯化筛选的局限，实现按需设计的目标，大幅提升污水处理藻种的循环开发价值。

研究人员很早就注意到自然界中微藻类生物具有十分强大的吸收转化氨氮的能力，并且开展了利用微藻处理污水的研究应用。1957年，美国的Oswald等利用微藻取代污水处理中的活性污泥，为藻类污水生物处理技术奠定了基础。目前，多个国家开展了利用微藻净化污水的研究与应用工作，虽然取得了不少进展，但距离大规模应用仍有较多的问题需要解决。近年来，我国相关研究人员在辽宁、山东、广东和上海等地进行了这方面的试验探索，目前已在藻种选育、COD去除、氨氮降解、功能性成分纯化试验等领域取得了部分进展。

2  试验目的

为探索建立畜牧业废弃物微藻资源化处理体系，筛选出能够处理高浓度畜牧业污水的微藻种类，试验将畜禽粪污作为营养源培养微藻，通过离心分离获得藻渣、藻液，将其加工为具有高附加值的饲料添加剂、功能性饲料蛋白源，同时，验证该项技术在去除污水COD、氨氮等有机物方面的效果，检验处理后的水质能否达到相关的国家环保标准。

3  微藻资源化处理试验安排

3.1 试验内容

筛选耐污微藻藻株并研究其生长特性，优化猪场污水处理工艺，建立基于沼气-微藻为核心系统的猪场养殖污水净化工艺和平台;研究微藻生产提取工艺，对获得的微藻进行多种途径的资源化开发利用，实现猪场污水中氮、磷、铜和锌等物质的资源循环利用，解决生猪养殖场的污水问题，达到减排、绿色及高效的目的。

试验设定的环保相关技术指标有：处理后污水达到国家畜禽养殖业污染物排放标准;实现全年稳定运转，日处理污水达到350 m?;每千吨有机污水回收0.6 t符合饲料原料卫生指标的干藻粉;根据污水养殖微藻的营养组 成，实现多途径的资源化利用。

3.2 关键技术

用于处理畜牧业污水的驯化和优化的微藻菌种，未来或许可以解决畜牧业生产中的环保难题。与此同时，微藻可以以畜牧业污水为养料，满足自身生长的营养需求，随后通过生物链的循环利用系统回收微藻，并将其加工成具有高价值的饲料原料，回到畜牧业、水产业中继续循环利用，提升产业的价值链。在试点项目中，以“微藻生态处理系统”为粪污综合处理核心，保障畜牧粪污环境达标，使沼渣、沼液等能够得到高附加值的应用，并通过试点不断提高系统处理效率，以不断提高项目的经济效益。本试验的关键技术包括：

3.2.1 藻种

构建微藻培养室和藻种保藏室，广泛收集优势藻种资源，利用高效的检测技术，筛选出适合高效工业化生产、易于提取的藻种;驯化适合不同类型污染水体（规模化猪场）及当地气候（华东地区）的藻种。

3.2.2 污水微藻处理技术

污水微藻处理技术通过研究试验猪场猪的食物链，综合环境气候、饲养条件、饲料原料来源及营养配方、猪消化模式和效率等因素，充分了解规模化猪场污水的成分组成、影响因素，并采用有针对性、特异性的藻种，优化生产工艺。

3.2.3 微藻生产运行技术

利用微藻技术处理养殖污水，根据废水中碳、氮和磷的含量变化等实验室外大量生产微藻的环境影响因素，以及试验猪场现有条件的限制（非永久性建筑的要求，需通过可拆卸移动的地上“槽膜”工艺），构建一个高效且适用于标准化管理的养藻系统（反应器），结合现有污水处理系统，研发合理的技术体系和工艺流程，构建出符合微藻污水处理的系统和生产运行技术管理方案。

3.3 微藻处理的工艺技术流程及说明

3.3.1 工艺技术

微藻处理的工艺技术流程见图1。

3.3.2 技术流程说明

（1）微藻培養及处理

猪场养殖污水在集中池固液分离，分离出的固体用来制作有机肥，液体进行厌氧发酵。厌氧发酵产生的沼气主要成分是甲烷（50%～65%）和二氧化碳（45%～30%），沼气通过燃烧发电，可供养殖基地使用。厌氧发酵后的污水（沼液）经过沉淀、优活菌和高效气浮系统前期处理后，进入微藻培养处理系统。

微藻细胞的生长繁殖可以以自营方式（光合作用）或异营方式（呼吸作用）进行，除需要一定的阳光、CO2和O2外，还离不开氮、磷等元素。污水经过前期处理（曝气塘）后仍然富含各种营养成分，可为藻细胞的生长提供基本的养料。

按照微藻养殖系统建立的藻池，其顶棚、围墙、地面形成一个封闭的温室，保温性能强，透光性高，辅以专业的搅拌和曝气设备，可为微藻在污水环境中的生长提供良好的环境。

污水排入藻池后，微藻吸收污水中的营养物质得以生长，同时降低污水的有机负荷，从而达到处理污水和培养微藻的双重效果。微藻利用沼液中的养料生长，可节省传统处理方法所需的化学制剂，处理过程体现了环境友好型的特点。

（2）微藻收获

微藻收获包括一个或多个固液分离步骤，通过沉淀、离心或过滤获得，随后进行喷雾干燥或冻干干燥完成藻粉的回收。本试验采用碟式离心机和管式分离机进行微藻脱水操作，随后以回收干藻粉进行后续附加值产品开发。

在藻种培育环节，透过高效检测方法广泛收集并建立藻种资源库，筛选出耐污水、耐寒且富含叶黄素的藻种。在收集过程中，开展避免产物氧化、增加萃取物有效成分、提高萃取速度、无毒性、不污染环境等相关方面的研究。

3.4 试验项目

（1） 分析研究试验猪场猪的食物链，综合环境气候、饲养条件、饲料原料来源及营养配方、猪消化模式和效率等因素。

（2） 持续采集猪场污水系统中各阶段的污水，监测水质并进行不同处理，以了解规模化猪场污水的组成成分和影响因素。

（3） 广泛收集不同来源的优势藻种资源，通过大量的测试和分析（图2），从中筛选出耐污水能力更强、生命力更强、易于提取的藻种。

（4） 在实验室内驯化适应规模化猪场污水水质及当地（华东地区）气候的藻种（图3）。

（5） 驯化后的藻种逐步扩大到室外光反应系统环境中进行培育测试（图4）。

（6） 扩大到更大体积培养系统（圆池、跑道池）中进行测试。

（7） 分析不同水质、不同处理条件下微藻生长状况和污水水质的降解状况。

4  结果与分析

4.1 试验结果

（1） 试验表明，室内藻盘-肖特瓶系统-光管-圆池的纯藻培养系统能够稳定提供藻源（图5）。

（2） 室内多次污水培养试验发现，微藻最适培养条件为：起养浓度0.3 g/L，起养氨氮浓度300 mg/L，CO2混和曝气。多次污水培养测试发现，微藻（小球藻BD09）能有效去除污水中的氨氮，COD和总氮降幅相对较小。经过2～3次污水置换后，微藻对氨氮的去除率依然保持在75%以上，藻干重接近目标值。

（3） 在室外圆池体系试验中，微藻对污水的COD去除率为77.3%（图6），氨氮去除率为98.6%（图7），总氮去除率为84.4%;同时，微藻细胞数最高达到6.03×107个，比起始增加了5.6倍。

4.2 分析与结论

（1） 与小球藻相比，灭毒后的微藻具有耐污、细胞易结成团块上浮的特性，可能更利于室外深池培养及后续收成加工，但其在纯培阶段所需周期比小球藻略长，可能由于没有细胞壁，其对污水中的消毒剂及抗生素更为敏感，在初期污水试验中生长不良。

（2） 在室外圆池体系试验中，微藻的生长和水质的降解都比跑道池体系好（图8和图9）。可能因为圆池池体浅（培养深度30 cm～40 cm）和光照充足，而跑道池在阳光大棚内，池体比较深，光照相对不足。

（3） 污水置换代数仅为2～3次（理论/测算目标），需要持续优化。

（4） 本试验的时间在夏秋季，温度较高，适合微藻生长;对冬春季低温期微藻的生长繁殖及对猪场污水的处理效果，还需要进一步的试验验证。