微藻光生物反应器是利用自然界微藻净化能力而开发的一类低成本、可持续性强的废水处理技术，其不仅能高效降低废水中的有机物以及氮、磷等营养元素，还可利用微藻固碳产生大量生物质，为废水中能源和物质的回收提供了可能，目前在国内外畜禽养殖废水处理的研究和应用中逐渐成为热点。笔者介绍了微藻光生物反应器在贵州省某规模化养猪场废水处理提标改造工程中的应用情况，并与其他养猪废水处理工艺进行对比，分析了其能耗和运行费用，旨在为国内规模化养猪场的废水处理及其提标改造工程设计提供一定的参考。

1、工程概况

1.1 工程基本情况

贵州省某养猪场生猪养殖规模为1万头，采用干清粪工艺，废水主要来源于对猪栏的清洗，废水处理量约为40m3/d。原有废水处理系统建于2015年，采用UASB+SBR生物处理工艺，但出水COD和氨氮浓度经常超出《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001）限值，因此出水一直由清粪车运至污水厂进一步处理。2018年该养猪场对原废水处理系统进行技术改造，主要在原有工艺基础上增加了廊道式微藻光生物反应器，并采用MBR技术进行微藻的固液分离和生物质回收。改造工程的设计进水COD、氨氮和TP浓度分别为5264~6673、783~994、51.6~62.3mg/L，设计出水水质执行GB18596—2001标准，即COD≤400mg/L、氨氮≤80mg/L、TP≤8mg/L。

1.2 工艺流程

本项目改造后的工艺流程见图1。废水在集粪池和固液分离机中除去大的杂质、颗粒物后，进入调节池1进行均质调节，再进入UASB反应池，借助厌氧微生物作用，使废水中的大分子有机物水解酸化为小分子有机物，出水经调节池2后进入好氧SBR反应池，以进一步降低COD、TP、氨氮等指标浓度，减轻后续廊道式微藻光生物反应器的进水污染负荷。之后，废水经过三级串联廊道式微藻光生物反应器净化，进入MBR池内利用微滤膜进行固液分离，出水进入消毒池，采用次氯酸钠消毒后回用于猪栏粪便冲洗、MBR池气水反冲洗以及SBR池的清洗。从MBR池分离出的浓缩藻液经微藻回收池回流至廊道式微藻光生物反应器以补充微藻生物量，剩余藻液排出干化消毒后可作为饲料。

1.3 主要构筑物和设计参数

UASB反应池为地上式钢混结构，长×宽×高=5.0m×3.0m×6.5m，水力停留时间（HRT）=45h，水力负荷为0.11m3（/m2·h）。

SBR反应池为地上式钢混结构，2组并列运行，每组的长×宽×高=5.5m×3m×3.5m，HRT=30h。因考虑到曝气噪音会影响邻近圈舍生猪睡眠，SBR为间歇运行，仅在每日08：00—20：00期间运行，其余时间闲置。每组SBR池每天运行2个周期，2组共4个周期，每周期处理水量为10m3，单周期时长为6h，其中进水、反应、沉淀、出水、闲置时间分别为0.5、3、1、0.5、1h。

新增的廊道式微藻光生物反应器平面布置见图2，分为3个串联池体，均为地上式钢混结构。反应器一出水进入反应器二，反应器二出水进入反应器三，反应器三出水进入MBR膜滤池。在各反应器内部，水流在推流器作用下进行类似氧化沟的内部循环流动。反应器一、二、三的占地面积分别为698、471、546m2。3个串联池体中均配置2台功率为1.5kW的推流器，光源为自然光照，夜间无专门辅助光源。每个反应器有效水深均为0.35m，总HRT=15d。由于地形平面不规则，光生物反应器廊道宽介于3~4m之间，廊道沿流程总长度在150~180m之间。由于采用串联方式，各级反应器进水浓度依次降低，有利于反应器内生长适应于各级进水水质的不同菌藻共生体系，间接起到了“生物选择器”的作用，可提高对目标污染物的去除效果。

MBR膜滤池为地上式钢混结构，长×宽×高=5.0m×4.0m×3.5m，采用2组一体化式微滤膜组件，配套2台产水泵和2台从清水池内抽水的膜组件反冲洗泵。

2、改造前后的运行效果分析

2.1 改造前的运行效果

改造前UASB+SBR组合工艺的进、出水水质见表1。可知，UASB+SBR组合工艺虽然能有效降低养猪废水的污染负荷，但出水各项指标均未达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001）。

2.2 改造后的运行效果

本项目2019年6月改造完成后开始调试运行，9月廊道式微藻光生物反应池内的水呈现出浓绿色，无异味，镜检显示池内藻种主要为小球藻和栅藻，而非铜绿微囊藻属、水华鱼腥藻属、水华束丝藻属等产毒产嗅藻。此时，采用生物质干重法测得廊道内平均生物量已达到400mg/L（干质量）以上并逐渐保持稳定，系统开始正式运行。表2为改造后系统在2019年9月—2020年8月的进、出水水质情况。

由表2可知，提标改造后，处理系统出水水质良好，整个系统的COD、氨氮、TP平均去除率分别达到了98.5%、98.7%和90.9%，较未改造前分别提高了9.8、29.4和34.8个百分点，出水各项指标均优于国家标准GB18596—2001，并且出水COD和氨氮指标均值可以满足要求更高的如浙江省、山东省和广东省的地方标准，表明微藻光生物反应器是满足畜禽养殖废水处理提标改造要求的简易有效工艺。

新增廊道式微藻光生物反应器的主要运行控制参数为推流流速和推流模式。通过中试及现场调试，确定推流模式为间歇推流，即07：00—19：00开启两台推流器，流速控制在0.050~0.075m/s，夜间推流器则停止工作。调试数据表明，相较于连续推流，间歇推流不仅可以减少能耗，还能在一定程度上降低连续推流产生的剪切力对菌藻共生系统生长的不良影响。

廊道式微藻光生物反应器出水采用MBR膜技术进行固液分离，浓水（藻液）回流比为2%~5%，主要根据光生物反应池内的生物量浓度进行调整，夏秋季节回流比相对较小，冬春季节回流比相对较大。藻回收池每周排一次剩余浓缩藻液，每次排放量约为1~3m3，浓度在4000~7500mg/L范围。

2.3 季节对微藻光生物反应器的影响

微藻光生物反应器主要依靠系统内的菌藻共生体系实现对水中有机物及氮、磷的去除。因此，季节性的光照和温度变化都会对处理系统产生重要的影响。图3为微藻光生物反应器一年内逐月的污染物去除情况。可以看出，季节变化对有机物的去除有明显影响，11月—次年3月的COD去除率明显低于其他月份，这主要是由于温度降低会导致菌藻共生体系尤其是异养菌降解能力的下降。总磷去除效果在冬季也出现了明显的下降，去除率由夏秋季节的85%降到冬季的80%以下。微藻光生物反应器对磷的去除主要依靠藻类、微生物的同化以及化学沉淀作用，其中以磷酸盐的化学沉淀为主。冬季由于温度降低、光照减弱，微生物及藻类对磷的同化作用下降；而且，冬季光合作用导致的pH升高效应弱于光照充足的夏季，使得磷酸盐的化学沉淀作用减弱；另外，冬季微藻光生物反应器进水磷浓度增加也是去除率降低的一个重要因素，温度降低导致前面工艺的处理效果下降，故微藻光生物反应器进水浓度相较夏季有所升高。与有机物和总磷相比，氨氮去除率基本保持在95%以上，受季节影响很小，出水浓度相对稳定。菌藻共生体系中存在显著的硝化现象，冬季虽然温度降低会削弱硝化反应，但足够长的停留时间和冬季溶解氧浓度的升高依然能保证充分的硝化作用；而且夏季水温高，沉积藻类残骸的快速分解可能导致出水氨氮浓度上升，所以全年氨氮去除率并无明显波动。尽管有机物和总磷的去除受季节影响明显，去除率在冬季出现较大幅度的下降，但微藻光生物反应器出水COD、TP和氨氮浓度全年仍能够稳定达到国家标准GB18596—2001的要求。

3、项目造价及运行成本分析

项目总投资成本为47.95万元，其中土建工程费用为31.10万元，设备购置费用为16.85万元，相应的吨水投资成本为1.20万元/m3。项目运行费用主要由药剂费、电费和人工费三部分组成。其中，药剂费包括膜组件清洗及消毒药剂费用，为0.04元/m3；电费主要由推流器、提升泵、鼓风机及固液分离机等设备的耗电产生，按全天满负荷运行，日用电量为120kW∙h，故运行电费为60元/d，相应的单位污水处理电费为1.5元/m3；人工费为0.5元/m3。因此该项目的污水处理费用为2.04元/m3。

表3对近年来采用不同工艺的国内规模化养殖场废水处理工程实例的运行情况进行了统计。可以看出，与其他处理工艺相比，本项目在增加廊道式微藻光生物反应器后，能达到更优的处理效果；而且处理过程中产生的微藻生物质消毒干化后可回收利用，为绿色循环生物能源和生物质回收提供了可能；另外，本项目工艺的运行费用低于其他大多数工艺，说明廊道式微藻光生物反应器在畜禽养殖废水处理中具有良好的优势和推广应用前景，适用于我国畜禽养殖废水处理和提标改造工程。

4、结论

①在传统生物处理工艺后增加微藻光生物反应器，可以有效提高对养猪废水中有机物、氨氮和磷的去除率，使出水水质优于《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001），适合用于畜禽养殖废水处理及提标改造工程。

②UASB+SBR+廊道式微藻光生物反应器工艺处理养猪废水的运行费用约为2.04元/m3，并能实现微藻生物质的回收利用。

③廊道式微藻光生物反应器采用白天间歇推流、流速为0.050~0.075m/s的推流方式，能在保证出水水质的前提下显著降低能耗和运行成本