有机废水的直接排放是引起水体黑臭的主要致因之一。厌氧消化技术以其容积效能高、可回收能源、剩余污泥少等优点,受到各国同行青睐。其中,各种厌氧颗粒污泥床工艺更被推崇备至。但是,许多诸如造纸废水之类的工业有机废水普遍含钙,会在颗粒污泥中形成钙盐沉淀,严重影响颗粒污泥活性,大大限制厌氧反应器功能。本文揭示了钙化厌氧颗粒污泥的典型症结,破解了厌氧颗粒污泥钙化失活机理,创建了双循环厌氧污泥床反应器,验证了“浮泥再用+排泥控钙”技术的可行性。主要研究结果如下:1.通过观测厌氧颗粒污泥中的钙盐含量和分布,揭示了钙化厌氧颗粒污泥的典型症结。1)钙化厌氧颗粒污泥的产甲烷活性显著低于常态厌氧颗粒污泥(对照)。试验结果表明,在模拟某造纸厂厌氧内循环(IC)反应器进水COD浓度的状况下,钙化厌氧颗粒污泥的比体积产甲烷活性(SVMA)为3.52 m L·m L-1·h-1,相比对照下降13.09%。2)钙化厌氧颗粒污泥的理化特征显著有别于常态厌氧颗粒污泥(对照)。检测结果表明,钙化厌氧颗粒污泥的VSS/TSS值为0.351,只占对照相应值的39.2%;单位干物质的钙含量为234.49 mg/g TSS,是对照的10.79倍;单位生物量的磷含量为5.88 mg/g VSS,是对照的2.08倍。钙化厌氧颗粒污泥的孔隙率为0.607,比对照减少13%;特别值得关注的是,其大孔隙(孔径>10μm)几乎消失。3)钙化厌氧颗粒污泥中的钙盐分布呈现主体局域聚集、少量全域分散的特征。观测结果显示,钙盐主要以方解石的形态聚集于颗粒污泥中心,以钙核的形态分布于部分颗粒污泥内;少量以Ca-P盐(尺寸为100μm级)的形态沉积于颗粒污泥表层。2.通过研究钙化厌氧颗粒污泥的生物和理化性状,破解了钙化厌氧颗粒污泥的失活机理。1)钙化厌氧颗粒污泥的动力学特性显著偏离常态厌氧颗粒污泥(对照)。试验结果表明,钙化厌氧颗粒污泥的最大比生物量产甲烷活性(SMA)与最大SVMA分别为69.42 m L/(g VSS h)和7.52 m L/(m L h),高于对照的相应值——45.87 m L/(g VSS h)和5.89 m L/(m L h)。钙化厌氧颗粒污泥对COD的半饱和常数为8.95 g/L,是对照污泥的2.51倍,其基质亲和力大幅下降。2)钙化厌氧颗粒污泥的菌群特性显著偏离常态厌氧颗粒污泥(对照)。荧光定量PCR结果表明,钙化厌氧颗粒污泥的比体积mcr A基因丰度为1.80×109copies/m L,显著高于对照(5.04×108 copies/m L)。高通量测序结果显示,产甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)在钙化厌氧颗粒污泥中的相对丰度为89.2%,显著低于对照(相对丰度为99.5%)。3)钙化厌氧颗粒污泥的传质特性显著偏离常态厌氧颗粒污泥(对照)。传质模型分析表明,当颗粒污泥活性受限于基质扩散时,钙化厌氧颗粒污泥的产甲烷活性比对照污泥低13%,与产甲烷活性的试验(COD=6.6 g/L)结果相吻合。4)钙化厌氧颗粒污泥的功能衰减因钙盐累积量增大而加剧。灰分累积模型分析表明,钙化厌氧颗粒污泥的SVMA与灰分含量之间呈现上凸的曲线关系;钙化厌氧颗粒污泥的灰分含量(0.649)造成SVMA下降15.39%;随着灰分含量的继续增大,SVMA下降增速。3.通过创建并成功运行双循环厌氧污泥床反应器,验证了“浮泥再用+排泥控钙”技术的可行性。1)创建并成功运行了新型双循环厌氧污泥床(DCAS)反应器。以EGSB反应器作为对照,DCAS反应器的运行效能与对照持平;但其出水污泥流失率比对照下降45%;其顶层污泥的平均粒径(约为2000μm)比对照(约为1000μm)增大。2)发现了厌氧颗粒污泥的直接构造单元及其连接方式。对厌氧颗粒污泥的磨损试验以及对DCAS反应器中颗粒污泥的SEM观察表明,100μm级结构体是厌氧颗粒污泥的直接构造单元(亚颗粒),亚颗粒是功能菌个体通过EPS粘连形成的菌胶团之复合体,彼此间通过丝状菌网络连接形成颗粒污泥。3)提出了厌氧颗粒污泥的次生颗粒化机制。成熟颗粒污泥释气裂解释放次级结构体与功能菌生长产生次级结构体,构成反应器中的悬浮污泥;悬浮污泥可被丝状菌网捕,形成絮团;絮团在反应器中往复运动,凝聚成核,核表面附着生长生物膜,发展为成熟的厌氧颗粒污泥。4)分析了DCAS反应器用于“浮泥再用+排泥控钙”的可行性。计算表明,通过结构优化,DCAS反应器可将污泥净增长速率提升为优化前的3.3倍,通过这些颗粒污泥排放,理论上可将碳酸钙排放量占总沉积量的比例由42%提升至100%。“浮泥再用+排泥控钙”可有效控制高钙对厌氧反应器运行性能的影响,保障反应器的高效稳定运行。