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，导致生态环境遭受严重的污染，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研究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能力，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研究主要集中在氮磷、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研究较少，生产实际经验不足等问题。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研究及存在问题，展望了微藻废水工程发展前景。

近年来，我国的畜牧业得到了较大的发展，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省成本、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重的影响［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，净化和保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。一般情况下小型的养殖场为节省成本，往往采用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，也造成了资源的浪费。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，能够满足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，利用废水培养微藻，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、饲料等的开发提供了基础。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］。本文对国内外相关研究进行综述，以期望为后续的理论研究及产业实践提供参考。

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（Chemical oxygendemand，COD）、总氮（Total nitrogen，TN）、总磷（Totalphosphorus，TP）含量高。本实验室通过对某养鸡场废水组分分析，发现其主要污染成分如图1 所示（未发表数据）。

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%。

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2 397.23 t，锌达到4 756.94 t，原因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出现的细菌感染，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，同时由于大量粪尿堆积，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吸收无机氮，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］。

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与由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。微藻通过吸收无机磷去除水中的磷，也可通过调节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）。

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，这决定了藻细胞可以吸附周围环境中的重金属，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情况，活体藻细胞吸附及死亡藻体吸附。一般情况下，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］。第二是主动吸收，该阶段必须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可逆。主动吸收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

本文通过对前人的研究总结，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。

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研究主要集中于绿藻门，如小球藻、栅藻等，其富集率均可达到较高水平。

4 基于微藻培养的畜禽废水处理技术

4.1 高效藻类塘

高效藻类塘（High rate algal pond，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，为细菌的分解提供电子供体［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研究较多，孙伟丽等［32］通过在实验室条件下模拟高效藻类塘处理农村生活污水，发现当藻菌数量为（2.6-3.5）×105个/mL，停留时间 7 d 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（Filamentous algae matrix，FAM）处理农村污染的废水，研究表明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］的研究表明，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233 mg/L下降到50 mg/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］发现高效藻类塘可以去除约95% 的溶解性有机化合物；Villar-Navarro 等［36］也发现，HRAP 对双氯芬酸和氢氯噻嗪等利尿剂的去除率增加了15%-50%。

高效藻类塘虽然成本较低，但其依赖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控制；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，首先人工培养形成藻- 菌混合絮凝物，后利用需净化的废水对其进行继续培养。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，发现可以去除约86%-98% 的COD，以及大部分的氮磷；国内对活性藻技术的研究较少，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 24 h 时，TN、TP、CODCr 和生化需氧量（Biochemical oxygen demand，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

微藻固定化最早开始于20 世纪80 年代，是以细菌固定化技术为基础而发展的一种生物技术。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，并减少流失和分解速度，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，发现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，并发现在曝气条件下，对葡萄糖的去除效率从未曝气时的50%（耗时12 h）提高到了100%（耗时6 h），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养系统，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，既可以方便高效的控制微藻的生长，又可以大规模的处理污水。Najm 等［41］将小球藻培养在膜式光生物反应器中，发现可去除约100% 的PO43--P 和无机碳；王雪飞等［42］研究发现，在光生物反应器培养条件下， 不同水力停留时间（Hydraulic retention time，HRT）下螺旋藻对氮、磷营养盐的去除效果相似，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 0.42 g/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研究仍然很少，未来应当补足相关研究。

5 问题和展望

5.1 现有研究存在的问题

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、有机物等污染物的能力，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。但是其相关研究仍存在较多问题，主要如下：

微藻对污水的处理目前仍以实验室模拟为主，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研究也较少。

相关研究的去污对象主要是氮磷，畜禽废水中的其他污染物质如抗生素等研究过少，在生产实际中更需均衡全面的考虑各个污染组分的去除情况，在此情况下，相关理论依据缺乏造成了微藻废水净化装置的开发的延滞。

净化污水的机理研究甚少，仍不能上升到分子水平；目前的机理探究多为生理生化水平，针对关键氮磷代谢基因、重金属富集蛋白的研究较少，这也限制了微藻生物技术在环境工程中的应用。

微藻废水工程未能与其潜在的庞大下游产业相连接。微藻生物质产业十分庞大，涉及能源、食品、医药、建材、农林等多个行业，但是由于微藻培养和采收环节的成本问题，微藻生物质产业的发展有所受挫，与上游产业的契合度也不高。

5.2 展望

本文对微藻处理畜禽废水的工艺做了如下展望：（1）筛选培养去污藻种。主要筛选去污能力强，附加产值大的藻种，并且不仅要着眼于脱氮除磷，还要考虑重金属、抗生素等污染物的去除能力；（2）揭示微藻去污的机理，寻找关键基因。运用分子生物学实验和组学分析，寻找微藻适应和吸附污染物的关键分子机制，填补该领域的研究空白，为微藻水处理技术的发展奠定理论基础；（3）开发微藻处理工艺。如优化高效藻类塘的净化条件，降低其成本、寻找合适的固定化载体、将废水处理与光生物反应器结合，实现污染处理与资源利用的结合、寻找最有效的藻种收集方法等。微藻处理废水的同时会获得大量的生物质，如何高效低成本的回收微藻生物质是与下游产业耦合的关键。解决以上各个环节存在的问题并加以完善，有效利用资源，方可实现环保、绿色的高值产业循环链。

作者单位：山西农业大学分子农业与生物能源研究所