UASB反应器系统中颗粒污泥的研究进展黄钧

四川环境1992年第11卷第3期一21一usAB反应器系统中颗粒污泥的研究进展黄钧令陈忠余(中国科学院成都生物研究所)摘要:本丈综述了上流式厌氧污泥来(usA)B反应器系统中旗拉污泥的形态特征.化争妞成,徽生物学组成以及硕拉结构,新拉污泥的形成机理,硕拉污泥的培养条件以及污泥硕牡化的影响因素等方面的夭新研究进展。关键词:上流式厌氧污泥床(uSA)B反应器颗粒污泥产甲烷菌厌氧污泥顺粒化.AdvaneeofhteResearehonGarnularsludgeinhteUP一FlowAnaer曲icSlud梦BlanketSystemHaungJunChenZhongyu(`侧解.血创..盛oj月自劫四,南祝阮.自泞如翻四A加臼.ct:Thjs体peret朽ewshterecentadvanceofhter已犯arhcesonsomeasPecstofanaerobiCgranularsludge协uP一nowanaeoribcsludgeb肠旧ketsysetm,v七.,thelaetU碑sofietmorpho1Ogy,chemlcalcom侧湘liotn,mjcriobol娜因oomp岛1咖nandgranulestrueture,meChanismofgrandaiotn,condiitons加rgranulaiotnandhtefactosraff州比加8granu纽如n.Key丫Vords:UP一flowanaeroblcsludgeb】anketreaeotr,granularsludge,mehtanosen,anaerobiCslud朗garnulaiotn.1引言本世纪70年代以来,以eLtitnga为代表研制的第二代厌氧消化器一上流式厌氧污泥床(UAsB)反应器,由于它具有不需填料,也不需污泥迥流装置,处理能力大,效率高,运行稳定等优点,现已在许多国家的工业有机废水处理中得到应用,并收到了良好的效果。70年代初,在荷兰的CsM公司处理甜菜制糖工业废水容积为6m,的试验性UABS装置中,发现轻质、绒毛状松散的絮状接种污泥转化为密实、沉降性能好的颗粒污泥。这一现象引起了研究者的注意,从此,开始了培养颗粒污泥方面的早期工作。目前,研究表明,uAsB反应器的稳定性和高效能取决于反应器中形成沉降性能好、产甲烷活性高的颗粒污泥。oP川andetal;(1982)强调了UASB反应器中污泥颗粒化的重要性,指出培养颗粒污泥的意义在于防止反应器内污泥随出水流失,并保持反应器内有最大量的活性高、沉降好的厌氧污泥,从而使反应器能在较高有机负荷和水力负荷条件下有效地去除废水中的有机物。但颗粒污泥的培养较为困难,由此造成了UASB反应器启动过程复杂,耗时较长等缺点。因此,研究由多种细菌组成的颗粒污泥聚合体的组成、结构、形成条件、颗粒化的影响因素等,可为生产实践中颗粒污泥的培养提供理论指导,加速uAsB反应器的启动,并有助于提高反应器的运行效能。2颗粒污泥的形态通过裸眼及光镜观察,颗粒污泥的形态很不规则,有球状、杆状、钉状、血小板形以及其它不规则的形状,但大多接近球形。颗粒污泥多数呈黑色,也有的呈灰褐色、灰白色、淡黄色等。球形颗粒的直径多数为0.1一3.omm,最大的可达3.0一5.Omm,随水质和运行条件的不同而异。颗粒污泥的比重为1.00一1.059c/耐,接近于分散细菌的密度。由于细菌粘附成团使它能在水中有良好的沉降性。.作者系中国科学院成娜生物研究衡,。叙研究生、导哪—陈忠众先生。DOI:10.14034/j.cnki.schj.1992.03.006一22一3颗粒污泥的化学组成颗粒污泥的化学组成与细菌相似,见表l(Doilfgn,1985)。表1颗粒污泥的化学组成于一,质糖外份一份五组灰白谧蛋麒总有机碳凯氏氮干重(%)10~2335~606~71~241~4710~15颗粒污泥比较稳定,以下处理均不能导致颗粒污泥的分解:Hcl(pHI),NaoH(PH14),5%EDTA,高压消毒、纤维素酶作用等。但这些处理都使颗粒变得稀薄。颗粒污泥中矿物质的含量因来源不同而有较大的差异。同一反应器不同部位取样测得的灰份含量为10~20%;同一反应器不同时间取样测得的灰份为8.8一29.5%;不同反应器取样测得的灰份为n一55%。灰份的数量与颗粒污泥的密度有良好的相关性(r~0.943),但与颗粒污泥的强度相关性不显著(r~0.676),Dubour口eretax(1985)报道,颗粒污泥矿物中钙、碳酸钙、铁、磷、硫、镁、钾和钠等元素或物质含量较多。由x一射线分析表明,这些无机矿物主要是碳酸钙、磷酸钙、硫化铁、硅酸盐等。颗粒中还有较高含量的镍、钻,很可能以硫化物的形式存在。无机矿物在颖粒内的沉积并没有独特的方式,它们在颗粒中的空间分布是不均匀的,可能与特定微生物代谢所形成的微环境有关。颗粒中无机矿物的主要作用是增加颗粒的密度;稳定颗粒强度,还可能为细菌粘附提供夭然支持物,以促进颗粒污泥的形成。颗粒污泥中另一重要的化学组份是胞外多聚物。胞外多聚物的主要成份为多糖、蛋白质和糖醛酸等。其中:糖类主要包括葡萄糖、鼠李糖、甘露糖、半乳糖、核糖及半乳糖醛酸等。有报道表明,胞外多聚物在颗粒污泥中的含量差异较大,以胞外多糖为例,少的只占颗粒污泥干重的1~2%;多的要占20~30%闭。从数量上看,颗粒污泥形成后胞外多聚物有所增加,尤其以糖为基质的人工配水UABS反应器中的污泥颗粒化后,其胞外多聚物含量几乎增加近一倍。因此,可认为胞外多聚物数量的增加,与颗粒污泥的形成有十分密切的关系。胞外多聚物在颗粒中的分布有一定的区域化,而不是均匀贯穿于整个颗粒。钉红染色的透射电镜照片表明,胞外多聚物主要分布在聚集的球菌细胞间,在细胞间的连接中起明显的粘连作用。但在甲烷丝菌和许多杆菌、弧菌周围并没有明显的胞外多聚物存在〔`〕一般来说,胞外多聚物在细胞间的聚集中起着粘连作用,从而促进了颗粒污泥的形成并对颗粒的稳定作出了贡献。胞外多聚物调节细菌的粘着,而细菌的粘着经常引起形态一致的细菌形成微菌落,因为子细胞被包裹在胞外多聚物之中。以相同的模式,可预期颗粒污泥中微菌落的生长。一旦细胞粘附形成前期团聚体,就在胞外多聚物中分隔开来。如是两种或更多不同种的细菌在代谢联合体中相互联系在一起,则会并列繁殖,形成混合微菌落卿〕。然而胞外多聚物的存在只是颗粒污泥形成的必要条件。在有的颗粒污泥中,胞外多糖仅占颗粒千重的l一2%,而组成颗粒污泥的优势产甲烷菌一甲烷丝菌的周围并无明显的胞外多聚物存在.因此,颗粒污泥的形成并不完全依赖于胞外多聚物的存在。在形成颗粒污泥过程中还存在其它机制,如疏水作用、水流冲刷、表面电荷作用等。颗粒污泥的形成是一个复一23一杂的微生物与环境相互作用的过程。3颗粒污泥的微生物学组成及结构颗粒污泥本身实际上是由多种细菌组成的聚合体。研究表明,颗粒污泥中微生物的主要生理类群有:发酵细菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌。这四类功能菌群在代谢上的相互关系可描述如下,见图1〔l,]。每类群的底物和专一性产物把这些类群联系在一起而形成稳定的厌氧生态系统.有机物有效地转化为甲烷,需这些细菌的相互代谢偶联,否则,会引起甲烷产率的降低,甚至整个厌氧消化过程遭到失败.复复杂有机物物简简单糖类··、脂肪等)CH;+C02卤图l四类功能菌群相互关系示意图一发酵细菌代谢途径,一·一一同型产乙酸菌代谢途径一—一产H:产乙酸菌代谢途径…~产甲烷菌代谢途径电镜观察揭示了颗粒污泥中存在着大量不同形态的细菌,然而在很多成熟颗粒上观察到甲烷丝菌占绝对优势。灿比ia哪〕认为甲烷丝菌是颗粒污泥的基本必要成份,是形成颗粒污泥的基本特征。许多研究者报道,这种丝菌与Methanhotr议spp.结构相类似,基本特征为:专性利用乙酸盐,单个细胞呈杆状,长0.8~2.即m,两端钝平,细胞与细胞间膨大,呈竹节状。多个细胞常连结成长丝状,菌外有鞘,透射电镜观察表明细胞联结处有间隔。MAcLEoDet。l叫报道,颗粒内部有一个中心核,他把颗粒污泥分为三层,每层都有不同的形态。外层大约厚10~20om,包括整个颖粒外表面的细胞结构,有多种不同形态的细菌,其中以类似甲烷八迭球菌的群集的大球菌占优势.这一层和下一层常被气体空间分开,这些空间中主要是细丝菌。第二层是细菌与胞外多聚物的紧密包聚结构,厚约10~2如m,由大量杆菌组成。第三层包含大量杆状、末端扁平的细菌,类似索氏甲烷丝菌,在这一层中有大量的微菌落,构成了颗粒内部独特的微环境,为种间代谢偶联(特别是种间氢转移)的高速、高效创造了有利条件。第三层中还有大量由Methanothrix类似菌围成的孔洞,估计这些地点产生气体.中心附近还有各种属的细菌的空细胞壁。但这种分层方法不一定适用于所有的颗粒污泥。GRoTENHuls2a[〕报道,在丙酸盐上生长的颗粒就不是这样的分层结构,而是eMthanhotrix和M.arborhPilus与丙酸盐氧化菌群集在一起,贯穿整个颗粒。颗粒污泥聚合体的结构,具有完善稳定的代谢程序,为颗粒污泥的组成成员提供了最佳的环境条件。由发酵菌群粘附聚集形成的外层结构为基质和内部代谢菌群提供联系,分解基质中的有机物,为产酸菌提供基质。产H:产乙酸菌在HZ利用菌的互营作用下,把发酵菌群产生的挥发酸降解为乙酸、氢气和二氧化碳,同型产乙酸菌可直接酵解糖为乙酸,同一24一时又能将玩和co:转化为乙酸,从而为产甲烷菌eMhtanohtr议提供基质。目前,对颗粒污泥中的发酵性细菌、产H:产乙酸细菌、同型产乙酸细菌的报道还不多。4颗粒污泥的形成机理厌氧污泥颖粒化实质上是一个厌氧微生物生态系统演化的过程。从生态学的角度分析,这一过程包括了不同营养类群细菌数量的增加、优势菌群的建立和不同生理类群细菌间相互关系的确立。这是一个复杂的微生物与微生物、微生物与环境相互作用、相互影响而最终建立起一个动态平衡的生态学过程。uAsB反应器启动后,首先是各种细菌,特别是丝状细菌数量明显增多。随着消化器有机负荷和水力负荷的增加,丝状菌有的自身缠绕生长或杆状细胞堆积形成颗粒小体,作为颗粒污泥的生长核心,有的丝状菌附着在惰性颗粒表面或溶解的细胞碎片等外来颗粒体上形成颗粒小体。当反应器中有大量颗粒小体生成以后,它们之间相互接触和碰撞的机会增多,颗粒小体表面的丝状菌相互粘连,具有胞外多聚物的细胞也发生粘连,使小颗粒开始聚集成更大的颗粒,成为初生颗粒。初生颗粒长成后,为颗粒污泥这一微生态环境中的每一个细菌都提供了相对稳定的生活条件,各种细菌在颗粒中根据生态平衡原则不断生长繁殖,进一步完善结构,调整细菌的代谢,使颗粒不断长大成熟。5颗粒污泥的培养条件5.1接种物和接种t接种物主要有两个作用:l()提供一定量的厌氧微生物,(2)提供颗粒小体,作为颗粒污泥的生长核心。颗粒污泥的形成对接种物要求不严。利用消化过的污水污泥、牛粪或新鲜牛粪等为接种物均可生成颗粒污泥。经过厌氧消化后的接种物可较快地形成颗粒污泥。选择消化污泥作接种物时,应尽量选择沉降性能良好的消化池底部污泥,以免造成过多的流失.接种量以5~1g5vssl/为宜,加入少量颗粒污泥或破碎的颗粒污泥,可加快颗粒化过程。〔`’〕5.2污泥负荷及有机容积负荷污泥颗粒化过程一般是在反应器有机容积负荷为2~6kgcoD/m,内进行,而其相应的污泥负荷与水力负荷更能反映反应器的工艺条件。反应器启动初期应维持较低的污泥负荷为0.3kgCOD/kgvSS·d以上时出现颗粒污泥,这时就该将污泥负荷迅速提高到0.6~.07kgConk/gvSS·d,以免丝状菌形成大量沉降性能极差的絮状污泥,与颗粒污泥争夺营养,延长颗粒污泥的培养时间。.53水力负荷水力负荷与产气负荷的综合作用是污泥颗粒化的重要外因。水力负荷对污泥颗粒化的作用机理是水力冲刷和水力筛选作用。所谓水力冲刷作用是指由自下而上的水力流动作用,使污泥在各方面上受到剪切力的作用,发生旋转,使污泥有很强的呈球趋势。所谓水力筛选作用,是指由于水力冲刷作用使沉降性好的污泥或颗粒污泥沉于污泥区底部,优先获得较好