猪场沼液微藻净化前的营养优化

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　　摘要：微藻净化猪场沼液是一种环保的、低成本的、前景广阔的资源再利用方式。通过对沼液的营养优化来提高微藻的净化效率，包括氨氮浓度的控制，碳氮比、氮磷比的合理调配，以及过量重金属、抗生素胁迫作用的消除。这些优化将为微藻净化沼液产业化发展打下基础。
　　关键词：微藻;猪场沼液;营养优化
　　中图分类号：S216.4;X71         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2019）09-0048-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.011           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Abstract： Piggery biogas slurry purification by microalgae is an environment-friendly， low-cost and promising resource reuse mode. The purification efficiency of microalgae was improved by the nutrition optimization of the biogas slurry， including the control of ammonia nitrogen concentration， proper adjustment of C/N，N/P and the elimination of stress effects from excessive heavy metals and antibiotics. These optimization will lay a foundation for industrial development of microalgae purification of biogas slurry.
　　Key words： microalgae; piggery biogas slurry; nutrition optimization
　　據估计，未来10年，万头规模以上的猪场出栏量将占总出栏量的60%以上[1]。伴随规模化养猪场兴起的是巨大的粪污处理压力，养殖粪污必须经过严格科学的处理才能达到环保要求。当前规模化猪场主要采用固液分离-厌氧发酵的组合方式对粪尿进行前期处理。经固液分离后的养殖废水进入厌氧发酵系统后，水中的大分子有机物经过水解、产酸菌和产甲烷菌的共同作用最终生成沼气，厌氧发酵后出水质量大幅改善，但水中氮、磷、化学需氧量（COD）、重金属等指标相较于排放或是农业灌溉水质标准仍然超标[2]。因此，厌氧发酵后沼液的后处理流程必不可少。目前采用的后续工艺主要有A/O曝气、序批式活性污泥法（SBR）以及人工湿地等[3]。但这些方法都存在一定不足，如A/O曝气法处理效果不彻底。SBR法设备投入巨大，能耗高，运行管理及维护成本高。人工湿地法需要的土地面积较大，不适合土地资源较为稀缺的地区，且处理效果不稳定。因此，寻找一种适用范围更广、更加环保、成本更低的沼液净化方法成为亟待解决的问题。
　　近年来利用微藻（Scendesmus sp.）净化成为研究热点。王利燕等[4]研究表明，相较于四尾栅藻和小球藻，斜生栅藻对沼液中总氮和氨态氮的去除效果最佳，在16倍稀释的沼液中总氮、总磷的清除率分别达到88%、97%。刘林林等[5]利用小桩藻处理猪场沼液，氨氮和总磷的去除率分别达到了96.88%和95.88%。这种方法实现了资源的循环利用，具有广阔的应用前景。但藻液净化也受到沼液营养成分、培养条件等因素的影响，而沼液中的碳、氮、磷等元素是制约藻类生长的重要营养元素，因此本研究结合沼液的发酵特点和微藻生长需求，着重从微藻对氨态氮的耐受，碳、氮、磷比例的调和以及金属离子、生长调节因子浓度的控制角度出发，讨论发酵后沼液的营养控制。
　　1  氨态氮的耐受限度和调控
　　固液分离后的粪污经过厌氧发酵，沼液中的氮元素主要以氨态氮形式存在[6]。猪场厌氧发酵沼液中氨态氮含量一般占总氮的比例高达70%[7]。研究表明，微藻通常优先利用沼液中的氨态氮，直至氨态氮耗尽才开始利用硝态氮、亚硝态氮[8]。因此，微藻养殖是一种高效清除沼液中过量氮元素的方法。但是沼液中高浓度的氨态氮也会对微藻生长产生抑制作用，这可能是由于高浓度的氨态氮会引起藻细胞内的活性氧自由基（ROS）增多，大量活性氧自由基破坏了细胞内膜结构，同时降低叶绿素含量[9]。研究表明，不同藻类对氨态氮的耐受量不同[10]。当氨态氮浓度达到200～500 mg/L时，微藻生物质下降到70%[11]。螺旋藻在氨态氮浓度达到60 mg/L时就已经无法生存[12]。总的来说，蓝藻相对于绿藻对氨态氮的耐受性更强，但是仍然无法耐受含高浓度氨态氮的沼液。而规模化养殖猪场沼液中的氨态氮含量一般在100～2 000 mg/L[13]，在利用藻类净化之前必须采取合适的方法控制沼液中的氨态氮浓度。
　　目前降低沼液氨态氮浓度的物理化学方法主要有稀释、提高pH、曝气、吸附等。稀释法简单易行，但造成了大量的水资源浪费，不具有环保可行性。提高pH可以促进沼液NH4+以氨气的形式挥发到空气中，可以通过向沼液中加入生石灰调节pH至11以上，同时配合升温和A/O曝气等方法促进氨气从沼液中逸出。但这也带来一些新的问题，pH偏高的沼液一般不适合用来养藻，后续还需要加酸来调节pH，另外氨气的挥发造成了二次污染。吸附法常选用沸石作为吸附剂，通过吸附和阳离子交换作用降低沼液中的氨态氮[14]。
　　其次，也可借鉴工业污水的处理方法，如电解法、序批式活性污泥法、序批式生物膜反应器（SBBR）和各种集成工艺等。其中电解法是一种城市和工业污水处理的新技术，主要是利用电流在沼液中产生强氧化能力的氧化剂，将大分子难降解的有机物氧化成毒害作用较小的小分子有机物[14]，也可将沼液中的氨态氮氧化成硝态氮。总之，这些工厂化处理流程在降低厌氧发酵沼液中的氨态氮的同时，还能降低COD，且处理过程可控、处理时间相对较短。但这些工艺的运行成本较高、设备较多，维护管理量大，需要专门的技术人员管理。 　　此外，研究表明某些特定的菌种也可以用来降解污水中的氨态氮，目前研究较多的是枯草芽孢杆菌。Xiao等[15]利用固定化的芽孢杆菌来去除城市污水中的NH4+-N，清除率达到了99.55%。王涛等[16]在土壤中分离筛选出一株对氨态氮具有高降解能力的枯草芽孢杆菌，并用它处理氨态氮浓度为50 mg/L的模拟废水，结果表明48 h内氨态氮的降解率可以达到95.5%。随着现代酶工程技术的发展，各种功能酶产品已经广泛应用到化工、饲料等各个领域，有研究表明利用生物酶制剂降解生活污水中的氨态氮去除率高达95.1%[17]。但目前这些微生物和酶制剂处理的多为城市污水，其中的氨态氮含量相较于养殖废水而言更低。这些细菌和酶制剂能否在养殖废水中发挥功能尚有待进一步研究。为了提高沼液氨态氮的清除效率，也可以采用各种处理方法的组合，比如电解法和吸附法的组合，菌、藻联合处理等。
　　2  碳氮比、氮磷比的合理调配
　　微藻净化的主要目的在于去除沼液中过量的氮、磷，因为养殖污水氮、磷的长期过量外排会造成土壤和地表水的富营养化，对土壤和水源生态造成恶性影响。对于微藻而言，碳、氮、磷都是其合成自身細胞骨架、进行各种代谢活动必需的营养物质。但是猪场废水在经过厌氧消化之后，氮含量高，碳、磷含量较低，导致碳氮比（C/N）偏低、氮磷比（N/P）偏高，沼液的可生化性差。失衡的C/N、N/P不利于藻类的正常生长，进而影响微藻对沼液氮、磷的清除率。
　　碳氮比会影响微藻的生物量和油脂积累。异养培养小球藻的C/N为4∶1～5∶1时，小球藻的生长状况较好，生物量积累较快[18]。Chen等[19]发现在异养培养小球藻（Chlorella sorokiniana）的试验中，C/N在20左右时为氮限制和碳限制的转换点，细胞内脂质含量达到最小值。因此，可根据培养目的的不同选择合适的C/N。对于N/P而言，Rahman等[20]认为N/P为16时最有利于藻类的生长，也有研究发现N/P为7时更适于Chlorella vulgaris的生长[21]。因此，适宜的碳氮比和氮磷比都应针对特定的藻种，而且与碳、氮、磷的来源以及沼液的pH都有关，因为这些因素都会影响微藻对碳、氮、磷的利用效率。在工厂化开展微藻净化沼液时，应根据微藻对氮、磷的实际清除率决定是否要额外补充碳、磷，当这些元素的缺乏已经成为藻类生长的限制性因素时，可以考虑额外添加碳源或磷源以促进整体的净化效率。
　　目前利用微藻净化沼液一般都向培养体系中补充CO2，这不仅不会造成资源的二次浪费，而且有利于消除温室效应，同时也可以维持培养体系的pH的相对稳定。因为微藻利用无机碳源会使碳酸盐的平衡发生变化，引起氢氧根离子富集，导致pH逐渐升高[22]。
　　3  重金属离子浓度的控制
　　猪场厌氧发酵后的沼液中含有钾、镁、铜、铁、锌、锰、砷、镉等多种金属离子，其中的重金属如果得不到有效处理而直接排向外部环境会造成重金属污染。有些重金属离子是微藻生长所必需的微量营养素，如铜、锌、锰等，所以利用微藻来降低沼液中的重金属含量具有可行性。当污水中的重金属含量不高时，使用微藻吸附重金属离子是一种相对低成本、高效、易操作的处理方式。
　　微藻吸附金属离子大致可通过4种机制实现，即细胞表面配位、离子交换、氧化还原以及微量沉淀[23]。这些金属离子在被吸收后，可以参与构成细胞内各种结构物质、金属酶等，保证藻细胞各种生理功能的正常进行。例如镁和铁离子可以参与细胞内叶绿体的构成，进而影响藻类的光合作用积累碳水化合物。同时铁又是浮游植物光合电子传递链和呼吸链的重要组成部分[24，25]。但重金属离子对于微藻生长也具有二向性，存在高浓度重金属胁迫的现象[26]。凌娜等[25]研究发现，铁的浓度为25 μmoL/L时，小球藻的生长最佳，营养成分含量最高，当铁浓度超过50 μmoL/L，小球藻开始死亡。类似的结果也出现在铜离子对绿色微囊藻（Microcystis ciridis）生长的影响上，低浓度Cu2+（0.001～0.100 mg/L）对绿色微囊藻生长有促进作用，而高浓度Cu2+（>1 mg/L）降低了藻细胞密度、叶绿素a以及微囊藻毒素的含量，抑制了绿色微囊藻的增殖[27]。当Cu2+浓度高于100 μmoL/L时，斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）生长会受到抑制，光合作用会随胁迫时间延长不断削弱[28]。不同的藻种对于重金属的耐受性不同，斜生栅藻的耐受性就比小球藻更强[26]，因此在使用微藻净化时，可根据沼液中重金属含量的特点，有针对性地选择藻种或是预先进行藻种驯化。此外，可以使用吸附剂来降低重金属离子浓度。吸附剂如沸石，可以通过阳离子交换来实现沸石中碱土金属和沼液中重金属离子的交换，达到清除重金属离子的目的，但是处理成本较高。一些廉价的吸附剂如壳聚糖、海泡石、膨润土、泥炭等也具有吸附重金属离子的能力，但对不同种类的重金属离子吸附能力不同[29]。
　　4  抗生素含量的控制
　　为了猪群的健康，规模化养猪场会在饲养的各个阶段使用抗生素。摄取的抗生素则会在动物食品、粪便中残留。其中用于预防和治疗畜禽疾病的抗生素有85%以上以原药或具有抗性的代谢产物形式残留在动物粪便中[30]。这些抗生素会被好氧、厌氧发酵环节的微生物降解一部分，但厌氧发酵的沼液通常都含有抗生素。卫丹等[13]检测了浙江省嘉兴市的10家规模化养猪场沼液中的抗生素含量，结果显示大量的抗生素残留在沼液中，最高的含量超过1 000 μg/L，远高于欧盟的水环境抗生素阈值10 ng/L。抗生素具有明显的低促高抑效应，低浓度的抗生素有促进微藻生长的效果，过量时则会对微藻的生长产生抑制作用。促进作用的发挥可能是通过抑制其他微生物、寄生虫对微藻的营养竞争来实现的。李霞等[31]发现苯丙醇类抗生素会对蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）的生长产生抑制，其中氟苯尼考的抑制作用较强，当其含量超过0.94 mg/L时就会对藻类生长产生抑制。左氧氟沙星、氧氟沙星、红霉素在高于10 mg/L时会使蛋白核小球藻和水华微囊藻（Microcystis flos-aquae）藻细胞增殖活动受到显著抑制，同时细胞凋亡显著增加[32]。因此，在利用微藻净化前应当检测沼液中的抗生素浓度，当抗生素浓度超标时就应采取措施降低其水平，一般也是通过活性污泥法、生物滤池和厌氧消化法等生化处理方式实现，也可以采用沉淀、气浮、吸附和高级氧化等物理化学方法[33，34]。总之，无论是生物处理还是物理化学处理，处理的成本都不宜过高，否则难以在生产中大面积推广。 　　5  結语
　　相较于物理、化学方法，应用微藻净化猪场沼液的优点有很多，如处理成本更低，不易造成二次污染，实现了资源的循环利用等。但是要在生产中大面积推广藻液净化还需要解决很多技术问题，比如沼液的前处理、连续藻类培养生物反应器的优化、藻种筛选和驯化等。而本研究着重讨论了沼液前处理中的营养条件优化，通过对沼液中碳、氮、磷营养素的科学调控以及过量重金属、抗生素胁迫作用的消除，提高微藻的净化效率，缩短沼液的处理周期。而要实现更加系统的优化则要从粪污处理的源头开始控制，包括粪污的处理方式、厌氧发酵等环节。
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　　收稿日期：2018-10-15
　　基金项目：湖北省技术创新专项（2017ABA135）;中粮横向項目（YZ-GL 18102）;湖北省农业科技创新行动专项（2018skjcx05）
　　作者简介：濮振宇（1992-），男，河南信阳人，初级畜牧师，主要从事畜禽废弃物资源化利用方面的研究工作，（电话）027-81775001（电子信箱） 15914342284@163.com;通信作者，冯小婷，副教授，博士，主要从事分子育种和分子病毒学研究工作，（电话）027-89648113（电子信箱）fxt2011@whsw.edu.cn。
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