《Process Biochemistry》：Process intensification in dairy wastewater treatment: Optimization of fillers in the hydrolysis acidification-MBBR system for enhanced stability and nutrient removal
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乳品废水具有高有机氮负荷和波动性，传统生物处理易失效。本研究开发水解酸化-移动床生物膜反应器（HA-MBBR）单阶段系统，通过45天实验筛选出交叉流球状水解填料，优化气升速率0.6 L/min、回流比200%和150%，COD去除率达96.91%，氨氮76.67%，总氮65.44%。微生物分析证实生物膜活性及多样性提升，工程验证显示COD和氨氮去除率分别达98.75%和95.19%，且运行成本降低。该方案实现了高效稳定的一体化处理。
黄立坤|郭周宇|王光志|张多英|王东东|董春鹏|张菲菲|马伟超
黑龙江大学土木工程学院，哈尔滨150080，中国
摘要
乳品废水含有高浓度的有机物和氮元素，且其成分具有波动性，这对传统生物处理方法的稳定性构成了挑战。本研究开发了一种集水解酸化-移动床生物膜反应器（HA-MBBR）系统，以提高处理效果和运行稳定性。通过为期45天的系统实验，发现横流球形水解填料是最优的载体，因为它具有平衡的孔隙率和表面积。通过优化工艺参数，获得了0.6 L/min的曝气速率、200%的硝化液回流比和150%的污泥回流比。在这些条件下，该系统对化学需氧量（COD）的平均去除率为96.91%，氨氮为76.67%，总氮为65.44%。微生物分析表明生物膜活性和多样性得到了增强。此外，HA-MBBR系统在工程应用中表现出可靠的性能，COD和氨氮的去除率分别达到了98.75%和95.19%，同时降低了运营成本。这项工作提出了一种紧凑、稳定且高效的乳品废水处理方案。
引言
在过去45年里，公众对营养和健康的关注度提高，促进了乳品行业向高度结构化和组织化的方向发展[1]。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，2019年全球牛奶产量为8.52亿吨，预计到2029年将增长到9.97亿吨，年增长率为1.6%。作为耗水量最大的行业之一，乳品行业每加工1升牛奶会产生约10升废水[2]。乳品废水由于含有高浓度的有机化合物（包括碳水化合物和蛋白质），给处理带来了重大挑战[3]。废水中的乳糖、乳清蛋白、营养物质和脂肪等成分不仅会产生难闻的气味，还会显著阻碍降解过程[4]。据估计，约有2%的加工牛奶被浪费并最终排入下水道。因此，工厂废水中含有高浓度的有机物质，包括矿物质、五日生化需氧量（BOD5）、化学需氧量（COD）、碳水化合物、蛋白质、脂肪、脂类、消毒剂和洗涤剂[5]。因此，开发高效、稳定且经济可行的乳品废水处理工艺已成为市政工程研究的关键领域。
目前，乳品废水处理主要采用三种技术方法：物理化学方法、生物方法和综合工艺[6]、[7]。生物处理因其较高的BOD5与COD比值（B/C比值）、优异的生物降解性以及成本效益和环境可持续性的双重优势，而被广泛认为是处理乳品废水的最佳方法[8]、[9]。根据微生物群的具体溶解氧（DO）需求，生物处理方法系统地分为好氧、厌氧和厌氧工艺[10]。在乳品废水处理中，厌氧工艺相比好氧工艺具有显著优势[11]。乳品废水的温度和高有机负荷为厌氧微生物过程创造了有利条件，从而通过产生沼气实现能量回收，减少污泥产量，并在高有机负荷下保持运行稳定性[12]。
水解酸化（HA）反应器在乳品废水预处理中起着关键作用。它将不可溶性有机物转化为可溶性形式，将乳糖降解为乳酸，并部分水解蛋白质[13]。这一过程提高了废水的生物降解性，减轻了下游处理的负担[14]。然而，单独使用HA系统存在局限性，如对温度和pH值的敏感性、污泥浮选以及水解效率不稳定[15]。为了解决这些问题，通常会加入生物载体（填料）[16]。这些填料具有较高的比表面积和多孔结构，有助于增强微生物附着和生物量保留[17]。例如，一项使用固定化污泥在填料上的研究显示，COD的去除率为94.0%，BOD5为99.0%，总固体为100.0%[16]。尽管有所改进，但单个HA反应器往往无法满足严格的氮和磷去除标准[18]，因为厌氧条件下氨的转化效率有限[19]。因此，需要将HA与好氧后处理工艺结合使用以实现完全去除氮[11]、[20]。移动床生物膜反应器（MBBR）是HA系统的理想补充，它具有较高的生物量保留能力、较强的抗冲击负荷能力、较低的污泥产生量以及稳定的出水质量[21]、[22]。当与其他工艺结合使用时，MBBR能够持续表现出高去除效率。例如，一个厌氧-好氧MBBR系统实现了93%的COD去除率[23]；而MBBR-MBR和BF-MBR技术的COD去除率分别达到了98%和97.25%[24]、[25]。这些优势主要归功于反应器内的悬浮载体，它们为微生物附着和生长提供了充足的表面积[26]。这促进了强健且活跃的生物膜的形成，从而提高了整体处理效果。
因此，本研究提出了一种创新的HA-MBBR工艺，将水解酸化和MBBR技术集成到一个反应器中，用于乳品废水处理，旨在填补该领域高效、稳定且易于管理的单阶段处理系统的研究空白。首先，通过系统筛选确定了最佳的水解酸化填料——横流球形水解填料。随后，确定了该组合工艺的最佳运行参数：曝气速率为0.6 L/min，硝化液回流比为200%，污泥回流比为150%。微生物分析进一步证明该工艺显著增强了微生物活性和生物膜多样性。最后，在全规模应用中验证了其处理效果，并通过全面评估确认了其经济和环境优势。本研究将水解酸化和MBBR的协同设计和操作控制集成在一个阶段中，简化了操作流程，降低了能耗，提高了运行稳定性，为该领域提供了新的解决方案。
组合HA-MBBR系统的配置
HA-MBBR反应器中的水箱、HA反应器和MBBR反应器均采用有机玻璃制造。HA反应器的直径为13厘米，有效高度为60厘米，有效体积为8升。MBBR反应器的尺寸为长32厘米、宽17厘米、高28厘米，有效体积为15.23升。总体积分为厌氧区3.81升和好氧区11.42升。废水储存在进水箱中
三种HA填料的比较与选择
本节系统评估了各种HA反应器填料，结果表明，所使用的横流球形填料具有优异的性能，因此被认为是水解应用的最佳选择。如图3(a)和(b)所示，HA反应器在启动阶段和后续稳定运行阶段均保持了较高的COD去除效率。
结论
HA-MBBR工艺在改善乳品废水生物处理方面具有巨大潜力。本研究系统评估并选择了不同类型的水解酸化反应器填料，开发出了优化的复合HA-MBBR系统。在确定的最佳运行条件下——具体而言，曝气速率为0.6 L/min，硝化液回流比为200%，污泥回流比为150%——该系统实现了平均
作者贡献声明
黄立坤：撰写初稿、监督、软件使用、资源调配、项目管理、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。
王光志：数据可视化、验证、监督、软件使用、资源调配、项目管理、方法设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念构思。
郭周宇：撰写与编辑、撰写初稿、数据可视化、验证、监督、软件使用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了哈尔滨工业大学城市-农村水资源与环境国家重点实验室开放项目（项目编号：MS202529）、黑龙江省重点研发计划（项目编号：2022ZX02C16）以及黑龙江省高校基础研究青年人才计划（项目编号：YQJH2025185）的支持。作者对在完成本研究过程中提供的财务支持表示衷心感谢。
