基于微藻培养处理畜禽养殖废水的研究进展

基于微藻培养处理畜禽养殖废水的研究进展:摘要：当前规模化畜禽养殖业排放含有大量氮磷、重金属和有机污染物的粪污废水，导致生态环境患病严峻的污染，治理畜禽废水的任务迫在眉睫。由于传统畜禽废水处理方式及应用存在较多不足，基于微藻生物技术处理废水的讨论得到越来越多的关注。微藻是一种广泛存在于水体中的单细胞生物，具有高效的脱氮除磷及纳污力量，其主要利用同化作用吸附污水中的氮，通过磷酸化作用吸附、沉降磷，依靠细胞膜上的官能团对重金属进行富集。基于以上生理基础，大多数微藻的氮磷吸附率和重金属富集率可以高达80%。目前微藻对畜禽废水污染组分的处理的讨论主要集中在氮磷、重金属，实际应用方式多为高效藻类塘、活性藻、固定化技术、光生物反应器等。但是微藻处理畜禽废水仍存在分子机理讨论较少，生产实际阅历不足等问题。基于微藻处理畜禽废水的机理，通过综述若干微藻去除氮磷、重金属等污染物的效率，总结国内外微藻废水处理技术的讨论及存在问题，展望了微藻废水工程进展前景。近年来，我国的畜牧业得到了较大的进展，成为第一产业的重要支柱，养殖模式也由最初的散养转变为规模化养殖。规模化养殖虽然具有节约成本、优化管理、增加产量等优点，然而，由于该模式下畜禽的排便特性，养殖过程中产生了大量含有重金属、氮磷、抗生素等污染物质的粪便废水，这些处理不当的污染物对环境造成了严峻的影响[1]。2010年污染普查数据显示，畜禽业产生粪便2.43亿t，产生尿液1.63亿t[2]。畜牧业已成为国内仅次于钢铁、煤炭的第三大污染行业[3]。治理畜禽排泄废水，净化和爱护水资源的任务已经刻不容缓。目前畜禽废水的处理主要有自然处理法、物理化学处理法和生物化学处理法等[4]。但是传统的处理方法往往存在效率低，成本高等问题，限制了其普及率。一般状况下小型的养殖场为节约成本，往往采纳直接排放或者粗处理的方法处置废水；畜禽废水也常直接还田，这样不仅会使废水中的重金属和抗生素迁移入土壤，也造成了资源的铺张。因而，一种高效、低成本、绿色环保、附加产值大的废水处理方法是企业和生态环境所急需的。微藻是一类广泛存在于各类水环境中的单细胞微生物，利用微藻净化废水的技术早已引起关注。一方面，畜禽废水中含有大量的氮磷及有机物，能够满意微藻对于氮源和碳源的需求，有效降低水中N、P含量，同时微藻也可吸附或降解废水中的重金属、抗生素等污染物，实现废水的净化[5]；另一方面，利用废水培育微藻，也可以产生大量的微藻生物质，这为其他下游产品，例如生物柴油、肥料、饲料等的开发供应了基础。这无疑是一条绿色环保可循环的产业链，实现了藻、水、下游产品的共得[6]。本文对国内外相关讨论进行综述，以期望为后续的理论讨论及产业实践供应参考。1畜禽废水中的主要污染成分畜禽养殖废水主要由畜禽尿粪、畜禽舍冲洗水、饲料残渣等构成，其化学需氧量（Chemicaloxygendemand，COD）、总氮（Totalnitrogen，TN）、总磷（Totalphosphorus，TP）含量高。本试验室通过对某养鸡场废水组分分析，发觉其主要污染成分如图1所示（未发表数据）。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152350743.jpg”alt=“1.jpg”width=“328”height=“513”/畜禽废水中的氮磷浓度极高，据我国于2010年第一次污染普查的公告示，畜禽业水污染物中总氮量达到102.48万t，总磷为16.04万t，畜禽养殖业排放的总氮、总磷占到农业污染源的38%、56%（图2）[2]。而全国范围内，总氮排放量为472.89万t，总磷42.32万t，畜禽业氮磷排放量比重达到21.6%和37.9%。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152352497.jpg”alt=“2.jpg”width=“376”height=“280”/此外，畜禽废水中的重金属含量也较高。2010年我国畜禽养殖业污染物中铜的排放量达到了2397.23t，锌达到4756.94t，缘由在于饲料中添加有硒、砷、锰、钙、铁、锌、铜、铬和汞等元素，用以提高畜禽生长势、抗病性等[7]。这些元素，如铜，生物利用度较低，大部分排泄由胆汁分泌进行，随粪排出体外[8]，进而造成环境中重金属的累积。同时，在规模化养殖条件下，饲料往往添加过多的抗生素来预防及治疗可能消失的细菌感染，进而保证畜禽的健康，但是这其中约85%以上的抗生素会以原形、代谢物形式由粪尿排出[9]，后长期存在于水体中，降解缓慢；另外，在该模式下，畜禽废水大多还田，抗生素也会迁移至土壤中，对作物造成毒害[10]。因此，畜禽废水主要以氮磷、重金属、抗生素及部分有机物质等污染物为主，同时由于大量粪尿积累，还附加大量的病原体、寄生虫卵等。2.1利用微藻去除畜禽废水中氮磷利用微藻去除氮磷的理论在1957年就有学者提出[11]。废水中的无机氮主要以硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮的形式存在。微藻可以通过发生于细胞膜上的同化作用汲取无机氮，首先在ATP、硝酸盐还原酶的作用下将硝酸盐转化为亚硝酸盐，再通过亚硝酸盐还原酶催化将亚硝酸盐还原为铵盐，随后将还原后的铵盐纳入碳骨架，最终在藻细胞内被合成氨基酸或者蛋白质[12]。微藻对无机氮的同化机理图如图3示[13]。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152359391.jpg”alt=“3.jpg”width=“476”height=“466”/磷是新陈代谢过程中的重要元素。微藻对磷的去除主要是通过磷酸化作用使磷参加由ADP至ATP的转化中[14]。主要利用H2PO4-和HPO42-两种形态[15]。微藻细胞内的磷酸化过程有3种形式：底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化。微藻通过汲取无机磷去除水中的磷，也可通过调整pH值等外部条件使磷酸盐形成沉淀或被微藻吸附沉降（图4）。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152353459.jpg”alt=“4.jpg”width=“376”height=“359”/2.2利用微藻富集重金属微藻细胞表面具有丰富整齐的官能团，并且细胞膜具有选择性，这打算了藻细胞可以吸附四周环境中的重金属，微藻表面的负电荷反应点可与重金属结合，进而发生吸附。藻类吸附重金属分为两种状况，活体藻细胞吸附及死亡藻体吸附。一般状况下，分为两个过程：第一是被动吸附，该过程不论活体、非活体微藻均可发生。在静电相互作用力的作用下，重金属被藻细胞的官能团吸附，官能团不同，重金属离子的亲和力也不同。被动吸附包括物理、化学吸附、配位、离子交换、螯合及络合等[16]。其次是主动汲取，该阶段必需在代谢过程的基础上进行，并且多发生于活体藻细胞。重金属离子穿过细胞膜后运输，在胞内积累，于胞内化合物或细胞器上附着，过程往往缓慢并且不行逆。主动汲取的机制主要包括共价键结合、氧化还原和表面沉淀等[17]。微藻对重金属的富集过程如图5示。3部分藻种的去污效果3.1部分微藻去氮除磷的效果本文通过对前人的讨论总结，整理出若干藻种对总氮、总磷的去除率数据。从表1可见，不同种类微藻对氮磷均有极高的吸附率，最高可达99%-100%，并且适用于各种行业废水。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152359204.jpg”alt=“5.jpg”width=“367”height=“393”/3.2部分微藻吸附重金属的效果如表2所见，围绕重金属富集的藻株讨论主要集中于绿藻门，如小球藻、栅藻等，其富集率均可达到较高水平。4基于微藻培育的畜禽废水处理技术4.1高效藻类塘高效藻类塘（Highratealgalpond，HRAP，图6），最早由Oswald和Gotaas等提出，是传统稳定塘的一种改进。高效藻类塘的关键在于藻菌共生体系的建立，微藻和细菌可形成共生关系，对污水的净化产生协同作用，因此大大提高了水中污染物质的去除效率。塘中的好氧菌可降解碳氮有机物，生成CO2、氨氮、硝酸盐等，微藻则利用细菌产生的氮源、碳源进行光合作用并释放O2，为细菌的分解供应电子供体[31]。二者功能互补，是一种高效脱氮除磷处理技术。藻类光合作用方程式：106CO2+236H2O+16NH4++HPO42-→C106H181O45N16P+118O2+171H2O+14H+（1）国内外对高效藻类塘的相关讨论较多，孙伟丽等[32]通过在试验室条件下模拟高效藻类塘处理农村生活污水，发觉当藻菌数量为（2.6-3.5）×105个/mL，停留时间7d时，藻类塘对COD、NH4+-N和TP的去除率可达87.77%、97.2%和64.8%，出水水质可达我国排放标准。Kim等[33]应用高效藻类塘结合丝状藻类基质（Filamentousalgaematrix，FAM）处理农村污染的废水，讨论表明HRAP与FAM结合利用时可高效去除废水中的氮磷，去除率分别达到了79.8%和81.2%。Chatterjee等[34]的讨论表明，上流式厌氧污泥床移动床生物膜（UASBMBB）反应器，后接HRAP可高效去除水中的氨氮、磷酸盐和有机物，对氨氮的去除率达到85%，磷酸盐为91%，并且COD的含量从初始水平的233mg/L下降到50mg/L。由于塘中的好氧菌可降解碳氮有机物，藻类塘对有机物也有着较高的去除率。Park等[35]发觉高效藻类塘可以去除约95%的溶解性有机化合物；Villar-Navarro等[36]也发觉，HRAP对双氯芬酸和氢氯噻嗪等利尿剂的去除率增加了15%-50%。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152355961.jpg”alt=“6.jpg”width=“768”height=“396”/<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009121152352280.jpg”alt=“7.jpg”width=“368”height=“175”/高效藻类塘虽然成本较低，但其依靠于藻类和细菌的代谢，受外界环境如温度、光照等因素的影响较大；并且藻类生长的条件不易掌握；藻类的回收效率太低，成本过高，这些都阻碍了藻类塘的应用。4.2活性藻活性藻污水处理技术是基于藻菌共生代谢去除污染物，首先人工培育形成藻-菌混合絮凝物，后利用需净化的废水对其进行连续培育。藻-菌絮凝团以好气性细菌和各种活性微藻为主。Tiron等[37]利用活化的藻类颗粒在生物反应器中处理污水，发觉可以去除约86%-98%的COD，以及大部分的氮磷；国内对活性藻技术的讨论较少，况琪军等[38]利用活性藻反应系统对合成污水进行处理，得出在26±2条件下，停留时间为24h时，TN、TP、CODCr和生化需氧量（Biochemicaloxygendemand，BOD5）的平均去除率分别为77.62%、33.23%、90.89%和95.77%的结果。影响活性藻处理效率的因素主要在于藻种和菌群的代谢作用，并且与水中污染物浓度、光照、温度及进水负荷等一系列参数有关。4.3微藻固定化技术微藻固定化最早开头于20世纪80年月，是以细菌固定化技术为基础而进展的一种生物技术。利用物理或化学方法将游离的藻细胞固定于某个区域，进而可以保持细胞的活性，提高利用率。常用的固定方法有吸附法和包埋法，吸附法常用于纤丝状藻类，固定效率比较差。包埋法则在凝胶聚合物的网络空间将藻类截留，进而提高细胞的密度、反应、负荷等，并削减流失和分解速度，是一种较为高效的固定方法。包埋法常用的固定化载体主要有海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、水性聚氨酯和硅藻土等。就氮磷的去除而言，固定化藻类的去除率高于悬浮态藻类，唐皓等[39]利用固定化小球藻对人工污水中的氮磷进行去除，发觉固定化小球藻能去除人工污水中99.99%的氨氮和95.71%的总磷，悬浮态小球藻则能去除人工污水中98.92%的氨氮和91.56%的总磷，固定化小球藻的效果更优；Praveen等[40]将小球藻封装于藻酸钠微球中，建立与异养细菌的共生处理体系，并发觉在曝气条件下，对葡萄糖的去除效率从未曝气时的50%（耗时12h）提高到了100%（耗时6h），叶绿素含量增加了30%。4.4光生物反应器光生物反应器应当是最有前景的微藻培育系统，该系统可有效调控藻类的光照、温度、碳源等，从而有效的增加微藻的生物量；并且，光生物反应器能够对微藻进行高效低成本的采收，并且可以最大程度的降低污染。将光生物反应器与废水净化结合，是微藻环境工程和生物质产业结合的重要环节，既可以便利高效的掌握微藻的生长，又可以大规模的处理污水。Najm等[41]将小球藻培育在膜式光生物反应器中，发觉可去除约100%的PO43--P和无机碳；王雪飞等[42]讨论发觉，在光生物反应器培育条件下，不同水力停留时间（Hydraulicretentiontime，HRT）下螺旋藻对氮、磷养分盐的去除效果相像，NH4+-N、TN、TP去除率分别为98.52%-99.03%、90.43%-95.22%、88.25%-96.81%，同时螺旋藻的采收生物量为0.42g/d。但是，目前有关光生物反应器与污水净化，同时获得生物质及其代谢产物的讨论仍旧很少，将来应当补足相关讨论。5问题和展望5.1现有讨论存在的问题基于一系列的生理生化反应，微藻拥有高效的脱氮除磷及吸附重金属、有机物等污染物的力量，在环境工程领域越来越得到认可，也是生物技术在环境修复方向的新应用。但是其相关讨论仍存在较多问题，主要如下：微藻对污水的处理目前仍以试验室模拟为主，缺乏实质的、社会性的工程学应用，高效藻类塘、固定化技术和光生物反应器也因相关的缺点而限制了推广，而且关于生物质产业与废水处理产业最优耦连装置——光生物反应器的相关