工程规模下IC反应器和UMAR反应器在制浆废水处理中的评估：性能、微生物差异及技术经济分析

《Journal of Water Process Engineering》：Engineering-scale evaluation of IC and UMAR reactors for pulping wastewater treatment: Performance, microbial differentiation, and techno-economic analysis

　　

吴艳红|陈瑶|吴海珍|徐辉|张思伟|罗涵|邱光磊|魏超海

华南理工大学环境与能源学院，中国广东省广州市，510006

摘要

化学机械制浆（CMP）废水具有高化学需氧量（COD）、强毒性和复杂的成分。厌氧技术被广泛用于其高效处理和现场能量回收。然而，对工程规模下处理性能和微生物群落差异的系统理解仍然不足。本研究探讨了一种结合预处理和内循环厌氧反应器（IC）以及上流多级厌氧反应器（UMAR）的并行厌氧工艺。基于360天的连续运行，从四个维度系统分析了该工艺的特性：工艺性能、污染物转化、微生物机制和经济可行性。结果表明，在COD进水负荷为11.3–13.7 kg COD/(m3·d)的情况下，整个系统的COD去除率达到83.1 ± 2.8%。IC的去除效率（57.6%）高于UMAR（50.3%），这归因于反应器结构对混合、反应和分离效率的不同影响。污染物转化主要通过结构重排和选择性筛选实现，形成了化学惰性物质（如三萜硅氧烷）。微生物群落分析显示，IC富集了水解-发酵型和产乙酸型微生物，包括Bacteroidetes（31.77%）和Paludibacter（12.68%）；而UMAR富集了共生型和产氢型甲烷菌，如Synergistota（6.02%）和Methanobacterium（5.74%），表现出更高且更均匀的多样性。经济评估表明，单位处理成本为2.20元/m3，完全由2.74元/m3的沼气发电收入抵消，证明该系统是能源正向且经济自给的。这一长期工程规模的比较明确了IC和UMAR在性能和微生物机制上的差异，为工艺优化和工业应用提供了指导。

引言

造纸工业已发展成为世界上最重要的产业部门之一。2024年，全球纸张和纸板产量超过4.7亿吨，比2015年增长了15.4% [1]。然而，该行业也是资源密集型和污染排放量最大的行业之一 [2]，[3]。制浆废水是该行业的主要副产品。尽管大部分纤维素和半纤维素保留在浆料中，但在机械化学处理过程中，大约有8–10%的木质素以及各种酚类化合物、树脂酸及其衍生物被释放到废水中 [4]，[5]。这些化合物具有强芳香性、疏水性和结构稳定性，使得微生物难以降解 [6]。此外，消泡剂和表面活性剂等化学添加剂也会进入废水流中，进一步增加有机物的惰性和生物抑制作用 [7]，[8]。因此，高浓度CMP废水通常表现出较高的COD水平（10,000–15,000 mg/L）、复杂的成分、强烈的着色和显著的毒性 [9]，[10]。未经处理或处理不当的废水对环境和人类健康构成严重威胁 [11]，[12]。因此，实现高浓度CMP废水的高效低碳处理已成为造纸工业追求绿色和可持续发展的关键科学和工程挑战。

随着处理技术的不断探索和进步，在控制造纸生产中高浓度废水的污染方面取得了有效进展 [13]。目前，物理化学-生物处理方案在工程实践中得到广泛应用 [14]，[15]。预处理过程旨在减少污染物负荷和毒性 [16]，同时缓解难降解有机物的结构限制，从而提高下游生物处理的稳定性。物理预处理方法，如混凝-絮凝 [17]、溶解空气浮选 [18] 和膜分离 [19]，对于去除悬浮固体和胶体有效，但主要依赖于相分离，且在破坏芳香框架或疏水抑制剂方面的能力有限 [17]。此外，这些方法会产生化学污泥，增加处置成本和生命周期的环境负担 [16]。为了增强顽固芳香化合物的降解并提高生物降解性，通常采用高级氧化过程（AOPs），如芬顿氧化 [20]、臭氧处理 [21] 和光催化/电催化氧化 [22] 作为化学预处理方法。AOPs 通过生成强氧化剂（如羟基自由基）部分降解木质素衍生物 [20]，显著提高废水的生物降解性。然而，AOPs 耗能且试剂需求高，对操作条件非常敏感 [21]，[22]，并且可能产生低分子量的氧化副产物，具有增强的毒性和微生物抑制作用 [23]，[24]，从而影响后续的生物处理效率。生物处理仍然是减少可溶性有机负荷和实现高浓度CMP废水资源回收的核心策略。传统的好氧过程（如生物接触氧化和活性污泥法）由于其成熟的系统和高的出水稳定性而被广泛采用。然而，这些过程在高COD和低生物降解性条件下需要大量的曝气能量并产生过多的污泥 [25]。同时，废水中的大量疏水有机成分容易吸附在活性污泥表面，导致污泥膨胀和沉降性能恶化，最终降低系统的容积负荷能力和出水稳定性 [26]。相比之下，厌氧过程将有机物转化为沼气，产生的多余污泥较少，运营成本较低，因此适用于CMP废水处理。然而，厌氧处理的性能在很大程度上取决于反应器的配置和性能。因此，提高传质、相分离和微生物功能专化的高效厌氧反应器对于克服复杂高浓度制浆废水的处理限制至关重要 [27]。

当前的研究从简单的污染物去除转向了解反应器流体动力学和结构设计如何调节微生物生态和代谢途径。流动分布和气-液-固分离特性直接影响甲烷生成过程中的底物可用性和电子转移，从而控制有机物的去除效率和甲烷产量 [28]。因此，提出了先进厌氧反应器配置，如内循环（IC）、上流厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）和上流多级厌氧反应器（UMAR），用于处理高浓度、成分复杂的废水，因为它们在功能分区和传质增强方面具有潜在优势 [29]，[30]。Huang等人 [31] 同时使用厌氧消化模型No. 1（ADM1）和ISC模型来证明IC反应器在增强固液接触和增加容积负荷能力方面的可行性。同时，研究表明，多级、多层次串联配置有助于酸化步骤和甲烷生成步骤之间的空间功能分化，从而提高复杂底物的去除率和工艺稳定性 [30]。尽管试点规模和中间规模的研究报告了有希望的性能，但在一致的实际进水条件下，对替代厌氧配置的系统、长期、工程规模的比较仍存在关键差距。因此，反应器结构、微生物生态选择、性能稳定性和经济可行性之间的内在联系尚未明确。

本研究在工程规模上探讨了结合预处理和并行IC及UMAR厌氧系统的处理高浓度CMP废水的方法。目标是：（i）评估集成预处理+IC/UMAR厌氧生物过程的污染物去除性能和运行稳定性；（ii）在相同操作条件下系统比较IC和UMAR反应器的工程行为和微生物群落结构，以阐明性能差异的内在驱动因素；（iii）从能耗、运营成本和资源回收潜力等方面评估系统的经济和可持续性边界。后续发现旨在为大规模厌氧处理高浓度CMP废水中的反应器选择和工艺优化提供实际指导，支持造纸工业的资源回收和低碳发展。

节选

废水处理流程和厌氧反应器特性

用于高浓度CMP废水生物厌氧处理的IC/UMAR工艺包括预处理单元、厌氧生化单元、沼气处理单元和后处理单元（图1）。现场照片见图S1。来自造纸生产的高浓度废水在预处理部分通过旋转筛网、倾斜筛网和厌氧初沉池进行初步污染物去除。预处理后的出水随后在

典型工艺的污染物去除性能

工程规模的预处理和并行IC/UMAR厌氧系统在360天内表现出稳健的长期性能，当进水COD为12,550 ± 1220 mg/L时，总体COD去除率达到83.1 ± 2.8%，出水COD稳定在2160 ± 307 mg/L（图2a）。这些结果证明了在高有机负荷条件下长期厌氧运行的稳健性和可控性。虽然预处理主要通过固液

结论

本研究首次对在相同高负荷条件下并行运行的IC和UMAR厌氧反应器处理高浓度CMP废水进行了工程规模评估。通过整合工艺性能、微生物生态、有机污染物转化和经济分析，建立了IC/UMAR并行过程的工程评估框架。观察到两种反应器之间存在明显的功能差异。这种差异由强大的内部

CRediT作者贡献声明

吴艳红：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，软件使用，方法论，调查，数据分析。陈瑶：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，资源管理，方法论，数据管理。吴海珍：写作 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。徐辉：验证，调查。张思伟：验证，调查。罗涵：验证，调查。邱光磊：写作 – 审稿与

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFC3207005）的财政支持。