乳品废水处理通常采用厌氧好氧相结合的工艺^〔1〕。乳制品废水由于富含蛋白质、脂肪、油类等密度较低的有机物^〔2〕，存在厌氧处理效果不稳定、容易跑泥等问题。颗粒污泥具有良好的沉降性，能保持反应器内较高的微生物浓度^〔3〕，提高反应器抗冲击负荷能力^〔4〕。快速培育颗粒污泥对乳品废水厌氧反应器高效稳定运行具有重要意义。

为了快速启动乳品废水厌氧反应器及培育颗粒污泥，本研究通过采取厌氧反应器内增设内循环装置、接种污泥进行前处理等措施，研究了乳品废水厌氧反应器的启动特性、颗粒污泥的形成，以及反应器高效稳定运行的条件。

实验装置见图1。

该反应器由有机玻璃制成，总高度为198 cm，有效高度为169 cm，直径为24 cm，有效容积为62 L，沿柱高设置取样口。污水由蠕动泵从反应器底部泵入，处理后从上部排水口流出，生成的沼气通过三项分离器后排出。

为了提高泥水剪切力和传质，本研究在厌氧反应器中增设倒扣漏斗状内循环装置，利用该装置收集沼气，并以密度差为动力提升泥水（如IC原理），当提升泥水流量大于进水流量时，在反应器局部环境形成泥水内循环。

实验用水是以奶粉为原料配制的人工模拟乳品废水，经测定奶粉的COD当量值为1.18（1 g奶粉溶于1 L水中对应的COD为1 180 mg/L），蛋白质质量分数为18.3%，脂肪质量分数为21.6%。用奶粉、尿素、磷酸氢二钾按照m（COD）:m（N）:m（P）=300:5:1配制实验用水。同时加入Fe²⁺、Co²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、B³⁺等微量元素，并根据运行条件加入适量NaHCO₃调节进水pH。

接种污泥取自扬州市某城市污水厂压滤污泥，加水稀释后污泥的TSS和VSS分别为134 g/L和44 g/L，接种量为14 L。

COD采用消解法；颗粒污泥沉降速度采用重力沉降法；产气量采用排水集气法；颗粒污泥粒径采用湿式筛选法；碱度（ALK）采用滴定法；TSS采用标准法；挥发性脂肪酸（VFA）采用蒸馏法；pH和ORP采用杭州联测SIN-PH160pH/ORP在线分析仪。

（1）为了快速启动反应器，启动初期用COD为6 000 mg/L的高浓度乳品废水，静态条件下刺激活化接种污泥，当COD去除率达到50%以上时，认为污泥活化结束，开始连续进水。

（2）连续进水初始COD控制在1 500 mg/L，水力停留时间为8.6 h，容积负荷控制在5 kgCOD/（m³·d），启动初期早、晚各开2 h时外循环泵，上升流速控制在0.5 m/h，当系统稳定产气后停止外循环。

（3）每隔5 d左右为负荷提升考察期，当COD去除率达到70%以上，各项指标（如pH、VFA、ALK等）稳定时，前期通过缩短水力停留时间提升负荷，每次提升幅度为30%，最短水力停留时间控制在6.45 h，之后通过提高进水浓度的方法提升负荷，每次提升幅度为500 mg/L，最大质量浓度控制在3 000 mg/L（结合工程实际），设计负荷控制在11.2 kgCOD/（m³·d）。

（4）为了快速培育颗粒污泥，种泥事先和适量PAM、草木灰、氯化钙、膨润土等药剂均匀混合，放置一段时间后，投加到反应器内。

根据厌氧反应器运行情况提升容积负荷，历经30 d将负荷由5 kgCOD/（m³·d）逐步提升到11.2 kgCOD/（m³·d），共提升4次达到设计负荷，此过程中COD去除率与产气量的变化如图2所示。

由图2可以看出，COD去除率由初始时的44%上升到80%以上，出水ALK大于进水，且出水ALK在2 500 mg/L以上，VFA基本呈下降趋势，最终保持在300 mg/L以下，ORP保持在-350 mV以下，出水pH稳定在6.8~7.2。随着负荷提升，反应器产气量呈上升趋势，按产气率=产气量/（容积负荷×COD去除率）计算可知，最高产气率为0.41 m³/（kgCOD·d）。以上各项指标动态变化表明^〔1-3〕，完成反应器启动。

本研究能快速启动乳品废水厌氧反应器的原因包括：反应器连续进水之前，采用较高浓度的乳品废水（COD为6 000 mg/L）刺激活化接种微生物，使菌种快速得到活化，本研究中活化第4天时COD去除率超过50%以上；反应器启动初期，由于产气量少不能自动形成内循环时，强制进行外循环，提高传质及产甲烷菌活性；在反应器中加入内循环漏斗，在反应器逐渐产气后，在内循环漏斗的作用下提高了反应器的传质等。

反应器启动运行阶段，定期采样观察颗粒污泥形成情况。发现在反应器运行第10天时颗粒污泥占比达到23.1%，并且随着时间进程颗粒污泥快速生长。历经30 d，粒径0.9~2 mm的污泥由1.81%增长到13.6%，增长7.5倍，粒径0.71~0.9 mm的污泥由4.1%增长到11%，增长2.7倍，粒径0.58~0.71 mm的污泥由3.78%增长到9.2%，增长2.4倍，粒径0.2~0.58 mm的污泥由14.19%增长到24.8%，增长1.7倍，粒径大于0.2 mm的颗粒污泥占比达到59%。通常颗粒污泥占比达到55%时，认为颗粒污泥培养成功^〔5〕。

随着污泥颗粒化的进程，其沉降速度进一步得到优化。如颗粒污泥最快沉降速度由颗粒污泥开始形成时的68 m/h（第10天），增加到96 m/h（第30天），污泥平均沉降速度由36 m/h增加到64 m/h，污泥最慢沉降速度由20 m/h增加到33 m/h。研究表明，厌氧颗粒污泥的沉降速度一般在18~100 m/h^〔6〕。本研究中，培养30 d的颗粒污泥沉降速度在33~96 m/h。

颗粒污泥颜色呈灰褐色，多为球形或椭球形，密实性较好。在显微镜下观察颗粒污泥，丝状微生物较少，表面凹凸不平。颗粒污泥表面凹凸不平可能的原因是：凹陷处是颗粒污泥为内部微生物输送营养物质和排气的通道^〔7〕。

本研究中事先对接种污泥进行前处理，如投加反应器之前，接种污泥和PAM、草木灰、氯化钙、膨润土、牛粪等药剂混合均匀，静态条件下放置一段时间，为颗粒污泥的快速形成及生长提供良好条件（如提供晶核等）。同时通过反应器中增设内/外循环、提供适宜的负荷等，为微生物的生长提供良好的生长条件，加速颗粒污泥的形成。

为探明乳品废水厌氧反应器的临界负荷，在设计负荷11.2 kgCOD/（m³·d）下稳定运行一段时间后，通过缩短水力停留时间提高负荷，每次提高幅度为25%左右，观察反应器各项指标动态变化，结果见图3、图4。

当反应器容积负荷由14 kgCOD/（m³·d）提高到17 kgCOD/（m³·d）时，反应器各项指标开始出现异常，如COD去除率由提高前的80%下降到38%，产气量由5 355 L/（m³·d）下降到2 451 L/（m³·d），出水ALK小于进水ALK，VFA上升到605 mg/L，远高于稳定运行时的300 mg/L。显然17 kgCOD/（m³·d）的容积负荷超出了该反应器高效稳定运行的界限。当反应器负荷重新调回到14 kgCOD/（m³·d）时，经过一段时间运行，反应器各项指标又恢复到高效稳定运行状态。说明乳品废水厌氧反应器高效稳定运行的临界负荷为14 kgCOD/（m³·d）。

当反应器负荷超过临界值时，由于营养过剩，微生物难以降解多余的蛋白质、油脂等有机物。同时过高的容积负荷条件下，水解产酸菌大量繁殖，产生大量低分子质量的有机酸类代谢产物，抑制产甲烷菌活性^〔8-10〕，导致反应器各项指标恶化，COD去除率下降。

在设计负荷11.2 kgCOD/（m³·d）的条件下，探讨了泥量对反应器运行的影响，结果见图5、图6。

可以看出，运行前15 d泥量呈增加趋势，而当泥量超过26.7 g/L（约为反应器体积的1/2）时，各项指标开始变异常，当泥量达到29.4 g/L时，COD去除率由反应器正常运行时的80%下降到28%，产气量由4 451 L/（m³·d）下降到1 382 L/（m³·d），出水ALK小于进水ALK，VFA开始积累并上升到673 mg/L，反应器运行异常。此时大量颗粒污泥开始上浮跑泥。观察上浮颗粒污泥特征，发现上浮颗粒污泥表面包裹着大量乳白色物质，并长满丝状微生物。分析认为，由于运行过程中泥量逐渐增长，当泥量达到26.7 g/L（约为反应器体积的1/2）时未进行排泥，导致系统污泥龄过大，微生物分解代谢变差，去除率降低，

营养过剩致使丝状微生物大量繁殖，同时未能分解的蛋白质、脂肪等有机物附着于丝状菌表面，降低了颗粒污泥的沉降性，最终导致颗粒污泥上浮跑泥。通过排泥将泥量下调到19.4 g/L（约为反应器体积的1/3），再经过一段时间的运行，随着泥量增加，反应器各项指标开始逐渐恢复，当泥量增加到20.4 g/L时，各项指标恢复到稳定运行状态。这说明乳品废水厌氧消化过程中，反应器高效稳定运行适宜的泥量约在20.4~26.7 g/L，当泥量超过26.7 g/L时，反应器各项指标逐渐恶化，去除效率下降。研究表明，乳品废水厌氧反应器的临界泥量为26.7 g/L，约占反应器体积的1/2。

（1）通过反应器内安装自主研发的内循环装置，对接种污泥进行前处理等措施，历经30 d快速启动乳品废水厌氧反应器，在容积负荷11.2 kgCOD/（m³·d）条件下，COD去除率稳定在85%左右，最高产气率为0.41 m³/（kgCOD·d）。

（2）乳品废水厌氧反应器在历经30多d的启动及运行过程中，快速培养出大量优质颗粒污泥，如粒径0.2~2 mm的颗粒污泥占比达到59%，颗粒污泥最快沉降速度96 m/h，平均沉降速度64 m/h，沉降性能良好。

（3）乳品废水厌氧反应器高效稳定运行的临界负荷为14 kgCOD/（m³·d），临界泥量为26.7 g/L，约为反应器体积的1/2。当反应器负荷和泥量超过临界值时，反应器各项指标逐渐恶化，系统难以正常运行直至崩溃。