全尺寸厌氧内循环反应器处理富含钙的乳制品工业废水的性能评估

《Water and Environment Journal》：Performance Evaluation of a Full-Scale Anaerobic Internal Circulation Reactor Treating Calcium Rich Dairy Industry Wastewater

　　钙离子浓度对大型内循环（IC）厌氧反应器处理高钙乳清废水的影响研究。两年运行数据显示，钙浓度（400-600 mg/L）导致碳酸钙和磷酸钙沉淀，生物絮团钙化，壁面及管道结垢，造成2023年甲烷产量较首年下降25%，产气量降低17%。元素分析（EDX）和SEM显示钙磷积累，污泥挥发性固体比例下降，Ash含量达55%，影响传质效率。矿物质量平衡表明石灰添加是钙主要来源（占65%），后续处理去除88%钙。建议优化钙控制策略，减少设备堵塞和维护成本。

　　钙作为一种常见的二价阳离子，在厌氧消化（AD）过程中扮演着复杂而关键的角色。尽管其作用常常被忽视，但钙的存在对微生物活性、生物量结构、颗粒化过程以及整体处理稳定性具有深远影响。本文探讨了在高钙含量的乳制品废水处理过程中，内部循环（IC）反应器在不同季节条件下的表现变化。研究发现，在第二年运行期间，生物气产量和甲烷产率分别比第一年下降了17%和25%。这种下降趋势主要归因于生物量的钙化作用以及反应器内壁和管道上的钙沉积物累积，即使在常规污泥更换的情况下，这一现象依然存在。元素分析和显微镜观察进一步证实了钙磷和钙碳酸盐在厌氧污泥及反应器壁面的逐渐沉积。

乳制品废水处理过程中的钙含量波动对反应器的性能有显著影响。在处理过程中，钙的来源主要包括石灰添加和原始废液（S01）。研究显示，石灰的添加占总钙负荷的55%至65%，并促使废水中的钙与磷结合形成钙磷沉淀物，从而在初步的气浮处理（DAF）阶段高效去除磷。然而，这一过程也增加了进入厌氧反应器的钙浓度，进而导致钙碳酸盐的沉淀，影响反应器的运行效率。此外，反应器内壁和管道上的钙沉积物不仅增加了维护成本，还可能造成设备堵塞和性能下降。

在高钙含量的废水处理过程中，钙的积累可能对厌氧颗粒污泥的结构和功能产生负面影响。钙碳酸盐和钙磷酸盐的沉淀物逐渐覆盖颗粒污泥表面，阻碍了生物膜的生长，并在颗粒内部形成致密结构，限制了物质传递，从而削弱了污泥的活性。这种现象导致了生物量的逐渐失活，影响了有机物的降解效率。此外，钙的积累还可能降低反应器的缓冲能力，增加灰分含量，并对甲烷生成过程产生抑制作用。因此，为了维持反应器的稳定运行，必须定期进行维护，清除沉积物，以避免系统长时间停机和处理效率下降。

研究还发现，钙的积累不仅限于厌氧反应器，也广泛存在于其他废水处理系统中。例如，在矿物加工过程中，高浓度的钙离子会干扰磷酸盐浮选性能，导致非选择性沉淀，影响回收效率。这表明，钙在不同处理系统中都可能带来挑战，因此其管理策略需要得到重视。对于厌氧处理系统而言，钙的浓度需要在适宜范围内进行调控，以确保生物量的活性和反应器的长期运行效率。

在IC反应器的运行过程中，钙的浓度和处理负荷的变化对系统性能产生了显著影响。例如，在夏季生产高峰期，废水流量增加，导致反应器的水力停留时间（HRT）缩短，有机负荷率（OLR）上升，这可能会对微生物活动造成压力，从而影响甲烷生成效率。研究显示，2022年夏季的甲烷产量和生物气产量均高于2023年，这一趋势与钙沉积物的累积有关。此外，反应器内部的钙沉积物还可能引发机械故障，如生物气泄漏，进一步降低系统的实际甲烷产量。

为了有效管理钙的沉积问题，研究提出了几种潜在的解决方案。首先，可以通过控制石灰的投加量，减少钙的输入，从而降低沉淀物的形成。其次，可以在反应器入口处进行预处理，促使钙在反应器外部沉淀，避免其进入处理系统内部。此外，还可以考虑使用其他磷沉淀剂（如铁或铝盐）替代石灰，以减少钙的累积。最后，优化反应器的上升流速，有助于减少颗粒污泥中的沉淀物，提高系统的运行效率。

综上所述，钙在厌氧消化过程中既具有积极影响，也可能带来负面影响。适当的钙管理策略对于确保反应器的长期稳定运行和提高甲烷产量至关重要。未来的研究可以进一步探索钙浓度调控的可行方法，以及如何在不影响磷去除效率的前提下，减少钙的沉积。这些措施不仅有助于降低维护成本，还能提高整个废水处理系统的效率和可持续性。