Research of photosynthetic microorganisms in the resourceful treatment of livestock and poultry breeding wastewater

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0435

Abstract

Abstract:

Livestock and poultry breeding wastewater has a complex composition by diverse types and high concentrations of pollutants. The current treatment of these waste water has gradually shifted from traditional treatment to resource utilization technologies. Treatment technique based on photosynthetic microorganisms presents a financially potential alternative to traditional wastewater treatment technology, due to the water quality features and resource recovery potential of livestock and poultry breeding wastewater. This article introduced the characteristics and resource utilization trends of livestock and poultry breeding wastewater, along with the limitations of conventional wastewater treatment technologies. The advantages and disadvantages of photosynthetic microorganism-based treatment technologies and traditional methods were compared, and the principles of the technology from the perspectives of microalgae and photosynthetic bacteria were explained. Additionally, several composite treatment technologies based on photosynthetic microorganism were also highlighted, as well as value-added products that could be generated. Finally, it was proposed that photosynthetic microbial treatment technologies should aim for larger scales, integrate environmental applicability, and realize the potential for enhanced product value in the future.

Key words: livestock and poultry breeding wastewater, microalgae, photosynthetic bacteria, resourceful treatment

摘要：

畜禽养殖废水成分复杂，具有污染物种类多和浓度高的特点。目前对畜禽养殖废水的处理方式已由传统的处理技术逐渐向资源化技术转移。鉴于畜禽养殖废水的水质特点和资源回收潜力，基于光合微生物的处理技术成为传统废水处理技术的一种成本效益高的极具潜力的替代方法。介绍了畜禽养殖废水的特点和资源化处理趋势，分析了传统处理技术的局限，并比较了传统处理技术与基于光合微生物的处理技术的优劣。从微藻和光合细菌两类光合微生物的角度解释了基于光合微生物的处理技术的作用原理。此外，还讨论了光合微生物技术在畜禽养殖废水处理中的几种复合处理技术，以及其可生产的生物燃料、生物塑料、生物饲料等增值产品。最后，提出了未来光合微生物处理技术应朝着规模扩大化、适用环境自然化、附加产品价值具体化的方向发展。

关键词: 畜禽养殖废水, 微藻, 光合细菌, 资源化处理

CLC Number:

X703

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Figures/Tables 5

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77	WANG Yi， ZHOU Xuehua， LU Chaoyang，et al. Screening and optimization of mixed culture of photosynthetic bacteria and its characteristics of hydrogen production using cattle manure wastewater［J］. Journal of Biobased Materials and Bioenergy，2015，9（1）：82-87. doi:10.1166/jbmb.2015.1488
78	CAO Kefan， ZHI Ran， ZHANG Guangming. Photosynthetic bacteria wastewater treatment with the production of value-added products：A review［J］. Bioresource Technology，2020，299：122648. doi:10.1016/j.biortech.2019.122648
79	刘雨雪. 藻菌生物膜处理水产养殖废水及其饲料化潜力研究［D］. 武汉：华中科技大学，2021.
	LIU Yuxue. Study on treatment of aquaculture wastewater by algae biofilm and its feed potential［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2021.
80	WIN T T， BARONE G D， SECUNDO F，et al. Algal biofertilizers and plant growth stimulants for sustainable agriculture［J］. Industrial Biotechnology，2018，14（4）：203-211. doi:10.1089/ind.2018.0010
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水质指标	数值	参考文献
pH	6.4~7.3	〔4〕
COD/（mg·L^-1）	27~21 600	〔5〕
BOD/（mg·L^-1）	0.39~8 451	〔6-7〕
TS/（mg·L^-1）	430~11 000	〔6〕
TN/（mg·L^-1）	4.7~805	〔5〕
TP/（mg·L^-1）	0.14~476	〔6，8〕
抗生素/（μg·L^-1）	0.24~100.75	〔9〕

水质指标	数值	参考文献
pH	6.4~7.3	〔4〕
COD/（mg·L^-1）	27~21 600	〔5〕
BOD/（mg·L^-1）	0.39~8 451	〔6-7〕
TS/（mg·L^-1）	430~11 000	〔6〕
TN/（mg·L^-1）	4.7~805	〔5〕
TP/（mg·L^-1）	0.14~476	〔6，8〕
抗生素/（μg·L^-1）	0.24~100.75	〔9〕

处理技术		优点	缺点	适用范围	参考文献
物理化学技术	吸附技术	简单高效；可回收氮、磷等物质；可有效去除畜禽废水中的抗生素、有色物质与异味	吸附系统会饱和，饱和后的吸附剂成为大流量污染物的新载体，需再生或更换	含某种特定污染物（如抗生素）的废水；有色度与异味的废水；作为预处理手段用于去除废水中部分有机物、氨氮、磷	〔16-17〕
	膜处理技术	装置简单，可连续处理；污泥生成量低；可与生物技术耦合形成膜生物反应器；可实现高效固液分离	存在膜污染，需要定期清洁与更换；产生大量浓缩污泥	通过选择合适的膜材料、与生物处理技术相耦合，可有效处理各类废水	〔17-18〕
	电化学絮凝	操作简单、反应时间短；污泥生成量低；反应过程产生气泡，同时发生混凝、吸附和浮选过程；易固液分离	阳极会不断消耗，需定期更换；能耗较高	含高浓度磷的废水	〔19-21〕
	电化学氧化	占地少；操作简单；易于控制与维护；无污泥产生	操作时间长；能耗较高；对工艺装置安全性能要求高；对悬浮颗粒处理效果差	作为预处理手段去除废水中部分有机物、氨氮等；含生物难降解的重金属、抗生素的废水	〔22〕
生物技术	好氧处理法	投资成本低；处理时间短；COD去除效率高	能耗高；不能有效去除病原体	有机物含量较低的畜禽废水，如禽类废水	〔6〕
	厌氧消化	有效去除病原体；可回收能源	停留时间长；投资成本高；消化液需要深度处理	有机物含量较高的畜禽废水，如奶牛废水	〔6〕
	厌氧氨氧化	污泥产量低；减少二次污染机会；无需外加碳源	工艺启动时间长；污泥恢复速率慢	氨浓度较高的畜禽废水	〔6〕
人工湿地技术		工艺简单，投资成本低，运行维护成本低；抗水力与污染物负荷冲击能力强；兼具美化环境的能力	占地大；存在污染地下水的可能；易受自然条件影响（季节性温度变化、病虫害等）	有机物含量较低的畜禽废水	〔23〕
光合微生物技术		处理效果好；吸收营养物质、积累生物质，实现源化利用，减少碳排放；无二次污染	光合微生物生长条件严格；回收难度较大，回收成本高	可筛选光合微生物的种类以适应各类畜禽废水	〔15〕

处理技术		优点	缺点	适用范围	参考文献
物理化学技术	吸附技术	简单高效；可回收氮、磷等物质；可有效去除畜禽废水中的抗生素、有色物质与异味	吸附系统会饱和，饱和后的吸附剂成为大流量污染物的新载体，需再生或更换	含某种特定污染物（如抗生素）的废水；有色度与异味的废水；作为预处理手段用于去除废水中部分有机物、氨氮、磷	〔16-17〕
	膜处理技术	装置简单，可连续处理；污泥生成量低；可与生物技术耦合形成膜生物反应器；可实现高效固液分离	存在膜污染，需要定期清洁与更换；产生大量浓缩污泥	通过选择合适的膜材料、与生物处理技术相耦合，可有效处理各类废水	〔17-18〕
	电化学絮凝	操作简单、反应时间短；污泥生成量低；反应过程产生气泡，同时发生混凝、吸附和浮选过程；易固液分离	阳极会不断消耗，需定期更换；能耗较高	含高浓度磷的废水	〔19-21〕
	电化学氧化	占地少；操作简单；易于控制与维护；无污泥产生	操作时间长；能耗较高；对工艺装置安全性能要求高；对悬浮颗粒处理效果差	作为预处理手段去除废水中部分有机物、氨氮等；含生物难降解的重金属、抗生素的废水	〔22〕
生物技术	好氧处理法	投资成本低；处理时间短；COD去除效率高	能耗高；不能有效去除病原体	有机物含量较低的畜禽废水，如禽类废水	〔6〕
	厌氧消化	有效去除病原体；可回收能源	停留时间长；投资成本高；消化液需要深度处理	有机物含量较高的畜禽废水，如奶牛废水	〔6〕
	厌氧氨氧化	污泥产量低；减少二次污染机会；无需外加碳源	工艺启动时间长；污泥恢复速率慢	氨浓度较高的畜禽废水	〔6〕
人工湿地技术		工艺简单，投资成本低，运行维护成本低；抗水力与污染物负荷冲击能力强；兼具美化环境的能力	占地大；存在污染地下水的可能；易受自然条件影响（季节性温度变化、病虫害等）	有机物含量较低的畜禽废水	〔23〕
光合微生物技术		处理效果好；吸收营养物质、积累生物质，实现源化利用，减少碳排放；无二次污染	光合微生物生长条件严格；回收难度较大，回收成本高	可筛选光合微生物的种类以适应各类畜禽废水	〔15〕

废水类型	光合微生物种类	反应器类型	污染物质量浓度	污染物去除率	其他效益	参考文献
养猪废水	微藻	纯微藻养殖	稀释处理后COD 1 064 mg/L， NH₄ ⁺-N 86.1 mg/L	COD 72.3%， NH₄ ⁺-N 64.2%	生物质质量浓度3.96 g/L	〔31〕
	栅列藻、小球藻、小颤藻	微藻生物膜	COD 2 188.02 mg/L， TN 100.14 mg/L， TP 67.07 mg/L	COD 86.61%， TN 73.68%， TP 89.95%	生物柴油生产率 145.01 mg/（m²·d）	〔46〕
	曲霉菌、小球藻	真菌-微藻共生系统	COD 1 660 mg/L， TN 97.2 mg/L， TP 51.2 mg/L	COD 70.34%， TN 84.68%， TP 44.70%	形成真菌-微藻颗粒，生物质回收成本降低	〔67〕
	紫色光营养细菌	室外平板光生物反应器	COD 4 130mg/L， TN 1 160 mg/L， TP 160 mg/L	COD （71±5.3）%， TN （22±6.6）%， TP （65±5.6）%	生物附着物固体回收比（99±5.1） g/L	〔24〕
	绿色硫细菌	厌氧消化反应器	COD 1 984~2 000 mg/L， SO₄ ^2- 164~185 mg/L， S^2- 10.5~11.7 mg/L	COD_max 85.9%	硫化物去除速率 12.5 mg/（L·d）	〔43〕
奶牛废水	小球藻	微藻培养	COD 1 700 mg/L， TN 80 mg/L， TP 25 mg/L	COD 44.3%， TN 79.3%， TP 83.0%	单一小球藻生物质产量0.34 g/（L·d），共生系统生物质产量 0.49 g/（L·d）	〔68〕
奶牛废水	小球藻、废水中细菌	细菌-微藻共生系统	COD 1 700 mg/L， TN 80 mg/L， TP 25 mg/L	COD 66.2%， TN 83.0%， TP 84.0%	单一小球藻生物质产量0.34 g/（L·d），共生系统生物质产量 0.49 g/（L·d）	〔68〕
家禽养殖废水	小球藻、蓝藻、紫色光营养细菌	细菌-微藻共生系统	TN 517 mg/L， TP 770 mg/L	TN 78.66%， TP 92.99%	生物质产量（干基） 25.65 g/m²，脂肪酸产量2.31 g/m²	〔69〕
家禽养殖废水	紫色光营养细菌	红外光-连续光生物反应器	TCOD 4 000 mg/L， TN 200~500 mg/L， TP 35~55 mg/L	TCOD 90%， TN 90%， TP 45%	单位质量进水COD可回收粗蛋白190 kg/t	〔70〕

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