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 oxygen demand, COD)、总氮(Total nitrogen, TN)、总磷(Total phosphorus, 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 微藻在废水处理中的应用及机理 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HPO₄^2-两种形态^[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:

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(UASB-MBB)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、COD_Cr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PO₄^3--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。