《Journal of Water Process Engineering》：Optimizing upflow velocity of UASB reactors for enhanced resource recovery from ultra-high-strength compost leachate
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本研究采用间歇回流上流式厌氧污泥床（UASB）处理高COD（125±27.5 g/L）堆肥渗滤液，对比0.5 m/h和1.2 m/h流速对处理效率、甲烷产量及微生物群落的影响。结果表明，1.2 m/h UASB系统COD去除率达88.9%，显著高于0.5 m/h的82.4%，两者甲烷产量相近（0.38 L/g COD）。微生物分析显示0.5 m/h以乙酸型产甲烷菌为主，而1.2 m/h系统混合了乙酸型和氢气型产甲烷菌。消化产物中0.5 m/h系统碳含量高（C/N=8.8），适合土壤改良剂，1.2 m/h系统氮、钾含量丰富（1.65% N，8.37% K），适合生物肥料。
阿努斯里·纳拉迪伊尔（Anusree Nalladiyil）|希曼舒·库马尔·昆蒂亚（Himanshu Kumar Khuntia）|H.N. 查纳基亚（H.N. Chanakya）|G.L. 西瓦库马尔·巴布（G.L. Sivakumar Babu）
印度科学研究所可持续技术中心，班加罗尔，560012，印度
摘要
由于超高强度堆肥渗滤液（UHSL）具有极高的有机负荷（COD 125 ± 27.5 g/L；pH 3–5）、高浓度的挥发性脂肪酸（VFA）以及微生物抑制作用，其处理仍是一个重大的环境挑战。在这项研究中，采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器在间歇循环条件下进行处理，作为传统连续流操作的替代方案。通过维持0.5 m/h（UASB_0.5）和1.2 m/h（UASB_1.2）的上流速度，评估了两种水动力条件对处理效率、甲烷产量、微生物群落结构以及消化物质量的影响，有机负荷率（OLR）高达11.2 kg COD/m3/d。在11.2 kg COD/m3/d的高OLR下，UASB_1.2反应器的处理效率（COD去除率88.9 ± 0.2%）高于UASB_0.5（82.4 ± 0.6%），两种系统的甲烷产量相当（约0.38 L CH?/g COD去除）。微生物群落分析显示，甲烷生成途径受到水动力条件的显著影响。UASB_0.5主要由乙酸裂解型甲烷生成菌主导，Methanosaeta的丰度较高（3.5%），而UASB_1.2则支持一个混合的甲烷生成菌群，包括Methanosaeta（2.1%）和氢营养型物种如Candidatus Methanogranum（2.0%）。这些微生物和操作上的差异导致了消化物特性的差异。UASB_1.2产生的消化物富含营养物质（1.65% N；8.37% K），而UASB_5产生的消化物富含碳（12.99% C；C/N = 8.8）。研究结果强调了上流速度和间歇循环作为在循环经济框架内从UHSL中回收能量和利用营养物质的关键操作控制因素。
引言
渗滤液管理仍然是一个关键挑战，尤其是来自市政固体废物（OFMSW）处理设施（如堆肥厂）的有机部分。这类渗滤液的特点是pH值低（3–5）、有机物质浓度极高（10,000至100,000 mg/L）和营养物质含量高[1]、[2]、[3]。这些特性使得处理变得特别困难，如果未经处理直接排放，会对地下水和地表水体构成重大风险[4]、[5]，导致缺氧条件，进而造成鱼类死亡和其他水生生物的死亡[6]、[7]。在发展中国家，由于家庭有机废物含量高，OFMSW产生的渗滤液可占其重量的20%（班加罗尔实地数据，2025年）。
近年来，已经探索了多种堆肥渗滤液的处理方法，包括厌氧和好氧生物系统、化学和电化学氧化以及混凝-絮凝[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。其中，厌氧消化具有明显优势，因为它能够在无氧条件下将有机污染物转化为富含甲烷的生物气体，同时消耗的能量远低于好氧系统[13]、[14]、[15]。除了能量回收外，厌氧消化还能产生富含营养物质的消化物，具有农业再利用的潜力，从而符合循环经济和资源回收的原则[16]、[17]、[18]、[19]。
近期文献强调了颗粒污泥系统在处理高浓度废水时的稳健性[20]、[21]。其中，上流式厌氧污泥床（UASB）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）是最广泛采用的渗滤液处理技术[22]。这两种系统的主要区别在于液体上流速度，这是一个关键的水力参数，决定了混合强度、质量传递和生物量保留[23]。高负荷系统如EGSB利用更高的上流速度来扩展污泥床，增强底物与生物量之间的接触[24]。Liu等人（2010年）证明，EGSB在高水力负荷下处理新鲜MSW渗滤液时，化学需氧量（COD）去除效率可达88–97%。然而，这也增加了生物量冲刷的风险，尤其是在高负荷条件下。相反，UASB典型的较低速度虽然保证了生物量保留，但可能会遇到通道效应、死区和质量传递限制，特别是在处理超高强度堆肥（UHSL）渗滤液（COD -1,0000 mg/L）时[25]。因此，选择最佳的上流速度至关重要。此外，保持较高的上流速度通常会导致水力停留时间（HRT）缩短，这可能不利于UHSL的处理效率[26]。
为了克服这些水力限制，通常采用出水循环来将HRT与液体上流速度分离，并稀释抑制性进水浓度[26]、[27]。然而，关于循环模式的知识还存在空白。大多数报道的研究依赖于连续出水循环，这可能导致能耗增加，并可能在处理高固体底物时干扰水解过程[28]。通过间歇出水循环可以缓解这些限制，该方法引入周期性的水力脉冲和底物梯度，同时减少持续剪切应力。
尽管间歇出水循环具有潜在优势，但其效果仍不甚明了，尤其是在处理UHSL时。目前尚不清楚间歇操作下的上流速度变化如何影响VFA积累、甲烷生成活性、反应器稳定性和消化物质量之间的平衡。此外，大多数关于UASB反应器的现有研究主要集中在传统垃圾填埋场渗滤液或中等强度底物上，因此在处理具有极高COD浓度、高VFA和强抑制性的渗滤液时，UASB系统的水动力优化方面存在显著的知识空白[29]、[30]、[31]、[32]。
本研究的新颖之处在于将间歇循环作为一种水动力控制策略，用于调节UASB反应器中的上流速度。这种方法旨在结合EGSB系统通常具有的增强混合和质量传递的优势，同时保持传统UASB的优越生物量保留和操作简便性，使其特别适合UHSL的处理。研究假设，在间歇循环下，上流速度不仅影响反应器性能和稳定性，还影响甲烷生成途径和消化物的质量特性，从而实现有针对性的资源回收。
本研究调查了两个在不同上流速度（0.5 m/h和1.2 m/h）下运行的间歇循环UASB反应器的长期（180天）性能。具体目标是：i) 通过COD去除率、甲烷产量和过程稳定性来评估反应器性能；ii) 分析不同水动力条件引起的微生物群落结构和甲烷生成途径的变化；iii) 评估所得消化物的营养成分和碳组成，以确定循环废物管理系统中的不同资源回收潜力（例如，富含碳的土壤改良剂与富含营养的生物肥料）。
部分摘录
堆肥渗滤液和接种物采样
堆肥渗滤液样本来自班加罗尔Doddabidarakallu的一个OFMSW风堆堆肥设施，该设施处理家庭分类的湿废物。该设施由Bruhat Bengaluru Mahanagara Palike（BBMP，大班加罗尔市公司）管理，日处理能力为200吨OFMSW，每天产生约75立方米的渗滤液。收集了新鲜风堆中积累的渗滤液。
渗滤液特性
未经处理的堆肥渗滤液具有极高的有机强度，COD为125,000 ± 27,980 mg/L，生化需氧量（BOD）为71,300 ± 26,400 mg/L [25]。由此得出的BOD/COD比值约为0.57，表明大部分有机负荷易于生物降解，这与先前研究的数值（BOD/COD范围：0.48–0.72）[2]、[14]一致。这一高有机含量也得到了固体分析的支持。
结论
研究表明，在间歇循环条件下，上流速度是影响UASB中UHSL（COD 125 ± 27.5 g/L；pH 3–5）处理性能和资源回收趋势的关键操作参数。在11.2 kg COD/m3/d的高OLR下，以1.2 m/h运行的反应器处理效率更高，COD去除率为88.9%，甲烷产量为0.388 L CH?/g COD，而以0.5 m/h运行的反应器分别为82.4%和0.387 L CH?/g COD。
CRediT作者贡献声明
阿努斯里·纳拉迪伊尔（Anusree Nalladiyil）：撰写——初稿、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。希曼舒·库马尔·昆蒂亚（Himanshu Kumar Khuntia）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。H.N. 查纳基亚（H.N. Chanakya）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论。G.L. 西瓦库马尔·巴布（G.L. Sivakumar Babu）：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、资金获取。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本作品时，作者使用了Chat-GPT来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
阿努斯里·纳拉迪伊尔（Anusree Nalladiyil）表示获得了印度政府的总理研究奖学金的财政支持。G.L. 西瓦库马尔·巴布（G L Sivakumar Babu）表示获得了印度政府的科学与工程研究委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢印度政府科学与工程研究委员会（SERB）在“市政固体废物填埋场修复方法开发”（项目编号：IMP/2019/000442）项目下提供的财政支持。此外，作者还感谢印度政府教育部在总理研究奖学金（PMRF）计划（项目编号：P/MHRD-20-17183.03）下的支持。
