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升流式厌氧活性污泥床(UASB)工艺广泛应用于生活污水处理,其重要优势在于能够形成沉降性能好、生物量高的厌氧颗粒污泥。然而,污泥颗粒化是个相对复杂的过程,容易受到多种因素的影响。在低浓度废水、低温条件下,UASB反应器的启动是难点。本研究中,针对传统升流式厌氧反应器(如UASB反应器)在低浓度废水处理中存在的污泥-废水传质不佳、颗粒污泥形成缓慢、启动时间长、甲烷回收效率低等缺点,构建了沉降式污泥循环厌氧反应器,并对其运行效果和影响因素进行了研究。试验中,通过分析沉降式污泥循环对传质、颗粒污泥形成和甲烷回收的影响,揭示了污泥颗粒化和甲烷产生、传输的作用机理。基于水力学和流体力学理论,应用ANSYS Fluent流态模拟软件,分析了反应器内部流态及污泥分布的变化。另外,利用高通量测序分析了启动阶段沉降式污泥循环对微生物群落结构和丰度的影响。在小试试验中,研究结果表明,沉降式污泥循环的应用使得污泥-废水逆向流动,极大地改善了反应器内废水-污泥混合条件,增强了废水-生物质传质。通过增强废水-生物质传质和剪切力,加速了低温、低负荷条件下厌氧颗粒污泥的形成。研究表明,经过58天的培养后,实现了污泥颗粒化。颗粒污泥沉降性能良好,沉降速度(SV)达到48m/h,比产甲烷活性(SMA)达到0.464 kg CH4 COD/kg·VSS·d。反应器运行稳定,溶解性化学需氧量(SCOD)去除率超过90%。沉降式污泥循环的引入显著改善了液体-气体传质,促使废水中的溶解态甲烷向气态甲烷转变,降低了废水中溶解性甲烷浓度及甲烷过饱和度,甲烷回收效率达到79%。扫描电镜(SEM)分析表明,启动阶段污泥表面形态和微观结构发生了显著改变。高通量测序分析表明,启动完成后,微生物多样性明显增加。在门和属水平,微生物群落结构差异显著,包括Proteobacteria、Bacteroidetes、Tolumonas和Desulfomicrobium在内的多种微生物的丰度发生了明显改变。流态模拟分析表明,在沉降式污泥循环的作用下,污泥处于悬浮状态并且均匀的分布在反应区内。在中试试验中,研究结果表明,反应器耐冲击负荷能力较强,63天的运行后即完成了启动,反应器内颗粒污泥沉降性能良好,SCOD去除率达到78.8%。然而,在低进水负荷、低温条件下,甲烷产量较低且甲烷过饱和度(1.17-1.21)较大,甲烷损失达到40.17-47.85%,影响了甲烷的回收与利用。生产性试验结果表明,即使是在冬季低温环境下(5-20℃),平均SCOD去除率超过70%(最高时达到85.5%),表现出对市政污水良好的处理效果。