瑞典赫尔辛堡城市区域黑水处理的全规模厌氧UASB消化器性能评估：迈向循环卫生解决方案的关键一步

为解决城市化进程中黑水(BW)处理与资源回收的挑战，研究人员开展了一项针对全规模上流式厌氧污泥床(UASB)反应器处理瑞典赫尔辛堡城市黑水的长期性能研究。通过130周运行评估，发现该反应器在低有机负荷率(OLR)下可实现88%的COD去除率和0.77 kgCOD-CH4 kg-1CODin的甲烷化程度，证实了厌氧消化技术对黑水处理的可行性，为循环卫生系统提供了关键数据支持。

　　

随着全球人口增长和城市化加速，传统集中式污水处理模式在能源与资源回收方面面临严峻挑战。黑水（Blackwater, BW）作为厕所排放的高浓度废水，富含有机物和营养盐（氮、磷），但其处理一直存在技术瓶颈。尽管实验室研究表明厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术具有处理潜力，但全规模应用数据匮乏，尤其在高有机负荷率（Organic Loading Rate, OLR）条件下的长期稳定性尚未验证。

瑞典的研究团队在《Cleaner Water》发表论文，首次系统评估了50立方米全规模上流式厌氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket, UASB）反应器处理赫尔辛堡Oceanhamnen新区黑水的性能。研究历时130周，通过对比两种OLR（0.95和1.5 kgCOD m^-3 d^-1）下的运行数据，结合COD平衡、沼气产量及营养盐分布分析，揭示了全规模系统的实际效能。

研究采用间歇式进料策略（12分钟循环），通过Hach Lange试剂盒监测COD、总悬浮固体（Total Suspended Solids, TSS）、氮磷形态等参数，并利用高压液相色谱（HPLC）分析挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFA）。生物活性通过特定产甲烷活性（Specific Methanogenic Activity, SMA）实验评估，质量平衡计算则基于每周流量与化学分析数据。

3.1 进水特性
黑水COD_total平均浓度为8.6 g L^-1，与实验室数据（9.2-12.3 g L^-1）一致，且挥发性固体占比（VSS/TSS=0.94）表明高可降解性。值得注意的是，进水pH达8.7，导致游离氨（Free Ammonia, FA）浓度高达0.65 gN L^-1，可能抑制微生物活性。

3.3 COD与TSS去除
低OLR阶段（<1.5 kgCOD m^-3 d^-1）表现最优，COD去除率88%，出水TSS仅0.18 g L^-1。而高OLR阶段因污泥流失（Settleable Solids达7.7 g L^-1），效率降至72%，但仍在文献报道范围（61-89%）内。

3.4 沼气生产
甲烷产率随OLR提升显著，从0.25增至0.39 m³CH₄ m^-3_reactor d^-1。甲烷化程度（0.77→0.71 kgCOD-CH₄ kg^-1COD_in）远超实验室UASB（0.39-0.68），证实全规模系统的稳定性。

3.5 质量平衡
69%进水COD转化为甲烷，但28%通过出水流失，仅3%留存于污泥。出水含92%氮（铵态）和82%磷（磷酸盐），为后续营养盐回收创造有利条件。

3.5.1 SMA与VFA分布
污泥SMA达185.6 NmLCH₄ gVSS^-1 d^-1，是BW与食物垃圾共消化系统的2.3倍。VFA仅在进水检出，表明高效产甲烷活性，但残留sCOD（625 mg L^-1）提示有机物降解不完全。

3.5.2 共消化对比
BW与食物垃圾共消化系统（UASB_BW+FW）的甲烷化程度（0.68）较低，且SMA（79.7）显著下降，说明混合底物可能引发微生物竞争。

这项研究首次证实全规模UASB处理黑水的可行性，其性能甚至优于实验室系统。尽管高OLR导致污泥流失，但甲烷化效率仍保持高位，且出水营养盐形态利于回收。研究结果为设计城市循环卫生系统提供了关键参数，但需进一步优化固相保留策略。未绝缘反应器的能耗分析也提示未来需完善能量平衡评估。该成果对推动可持续污水处理与资源化具有重要实践意义。