UASB反应器中厌氧污泥颗粒化的微生物学机理刘双江

29。孟年5月中国_沼气Chin妞班ogas第9卷第2期UASB反应器中厌氧污泥顺粒化的微生物学机理刘双江唐一胡纪革顾夏声周孟津(清华大学环境工程系,北京)(北京师范学院生物系)摘要通过对容积为5升的UASB反应器启动试验,研究了反应器内以葡萄糖为基质污泥颗拉化过程中不同类群细菌的消长规律。依据对颗粒化过程中细菌行为的观察,初步提出了厌氧颗拉污泥形成的机理,讨论了细菌种类对颗粗污泥性能的影响.关健词:UASB反应器,仄氧污泥颗粒化,j扭甲烷菌,发酵性细菌提高反应器内生物量浓度是第二代厌氧生物反应器高效的理论依据之一通过两种方式达到这一目的:一是加入载体(如厌氧过滤器、厌氧流化床等)使微生物附着在载体上生长,二是依靠微生物自身的能力形成颗粒生物体,即厌氧污泥颗粒化过程〔D。无论是加载体还是不加载体,其本质都是微生物依靠自身能力固定化过程.UASB工艺已被广泛应用于食品、酿造等行业生产废水的处理.试验研究和生产实践证明,能否在反应器内形成性能良好的颗粒污泥是此工艺成败的关键阁.近儿年的研究己初步掌握了培养颗粒污泥的基本运行条件,但很少涉及到颗粒化过程中微生物学特征的变化〔,~5〕.本文报道颗粒化过程中不同营养类群细菌的消长规律,并用电镜观察了这一过程中微生物的活动行为,分析了细菌种群对颗粒泥污性能的影响.试验用UASB反应器直径c7m,容积3.SL,沉淀区直径10cm,容积.1SL,反应器总容积为5L.35士l℃下运行.反应器以人工模拟葡萄糖废水为基质,添加尿素和磷酸氢二钾,使基质COD:N:P为200:5:1,连续进料.工艺流程见图1.材料与方法(一)反应器及运行工艺(二)不同类群细菌计教及菌种初步鉴定对不同类群细菌(发酵性细菌、乙酸裂解产甲烷菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌)的计数采用MPN法,三个重复。优势菌的初步鉴定通过分析最高生长稀释度确定,厌氧操作技术及计数培养基见文献〔6〕.颗粒污泥的破碎采用高速匀浆器,取sml污泥置于充有N:的小匀浆杯,加橡胶盖密封,以保持其仄氧条件,700Orpm匀浆2分钟,用lml注射器吸0.lml匀浆液进行功倍稀释,稀释后计数.(三)观察光学显微镜观察一般经过结品紫染色.2xo.人单压月中国““““““,,lll一{{{{{二二······:::,,,,放放沼气第g卷第2期观察,估计颗粒污泥出现日期还要早一些.出现颗粒污泥时反应器容积负荷为4.38k`:.嘴`枷喃,诱魂贪有为O·““gC。”`kgVSS·d.参照以前的研究,把厌氧泥污颗黄化如瑙鲜衡咖:启动运行期、提高负荷期和颖粒污泥成熟期.各运行期的工艺参救屏那污的活性见表`·从表`可见,形成颗粒污泥后污泥的活性提高了近两倍,反应器也表现出、良好的运行性能.`ù:翻ù司、,.ù009图1试验工艺流程].贮水箱2.计里泵3.值沮水箱刁.热交换器6.污泥床区6.取样口7.悬浮区8.三相分离器9.集气军川.沉降区11.水封12.浪式气体流盆计扫描电镜为日产KYKY一AMRAY100型,样品制备程序为:戊二醛固定*脱水、临界点一{二燥、喷全。结果与,讨论(`)U几攀B反幽翻的启动运行及厌妞吸拉污泥的形成和活性该较才入:呱遥慕以双层沉淀池消化,;泥为接种物,接种量为10’kg·VSS/m.(反应器体积),接种物VsS/g弓为。.41,该污泥外观呈絮状,其最大比产申烷恬性接近于零,具有良好的瑰降性能,反应器接种启半个月的时间奋莱用半逢续进水,每夭进水,小时,到`;书7天反应器.)T始产气,第招天后反应器进入启动运行期,连续进料,其送行倩况见图。和倒3。’从图2和图3可以者到,经过助多天的运行,反应器.勺厌氧污泥由絮状转变为颗粒状,反应器的运行性能也大大改善,COD去除城一般都在80帕以上。首之栩她察熟题粒污泥一是在运行的第60夭,由于不是每天都取样侣行时一`d》图2UAsB反应舞启动过程中进水Cop浓度及出水浓度和去除率的变化情况-ǎ勺·峨下里、O亡U罗勿…tō勺`E(/一00里ó.压心份侣斤时周堪d、图3UASB反应器颗拉污泥形成过程中容积负荷、污泥贯待及甘R,的变化情况(二)厌焦污泥.核化过粗中不同曹并类群细菌的消长规律,`公.;.在反应器不同运行时期发醉性细菌、丙胶分解菌、J一酸分解菌和乙酸裂解产甲烷菌的数量列于表2丁结告.翻翔晓苛以看出:1白9文年5月刘双江等UAS力反应器中厌舰污泥顺粒化的微生物学机理表l试验BUSA反应器运行参数及污泥活性分析项目启动运行期(第x~24天)提高负荷期(第52~4a天)城拉污泥成熟期(第峨s~10盛天)进水COD浓度(mg/L)出水COD浓度(口g/L)也水挥发性脂肪酸(AFV)浓度(m/gL)COD会除举(肠)反应器容积负荷(kgOCD/m..d)污泥负荷(kgCOD/k叮55·d).产气攀(LcH’/)d最大比产甲烷速串(L·HC,/kgVS.s址)厂最大比COD去除率(k心COD压gVS.Sht)751~1018320~61匀151~32237。仑~61。60。?6~I。570。09~0。190。30~卜501012~14483030~4914425~607406~2393125~310160~67040。0~68。21。56~3.870。19~0。451。30~6。6044。9~90。04.3日~1忿。700。45~1。646。20~31。00-一二`-一}甲4竺一卜`少竺址一一:1、平”21卜那。表2顾拉污泥形成过程中不同类群细菌的消长规律反应器运行期取祥日期发醉性细菌丙酸分解菌丁曦分解菌一厂乙晚叔解产甲烧菌起动活行期}提高负荷期第1天第30天成热期第60天2。5X1074。5只10.}2。6XIOto1.5x103{2.oxlQ畜17.5挑1074。5只105{4.5x10.14。`x10了0.5又10名}2.0火106{7.5X10,1.以葡萄糖为基质厌氧降解生态系统中的发酵性细菌,在启动运行期内迅速繁殖,很快增长到107个/m.l污泥液,其它营养类群细菌的数幼较低(表2).发酵性细菌的快速增长为其他细菌类群的生长提供了条件。2.在提高负荷期,随进水浓度升高和反应器水力滞留时间缩短,反应器容积有机负荷从2.56提高yIJ3.67kgCOD/m“·d,污泥负荷从0.29提高到o.45kgCOD/kgVSS·d.负荷的提高丰富了反应器内细菌的营养,发酵性细菌把葡萄糖分解为乙酸、丙酸、丁酸等产物,为利用这些物质代谢的细菌提供了生长条件。从表2可见,在这一时期,乙酸裂解产甲烷菌、丙酸分解菌、丁酸分解蔺分别都增加了三个数量级,而丙酸和丁酸分解菌的数量超过丫乙酸裂解产甲烷菌的数量,这与它们在庆氧生态系统中的营养物质的种类和滚度有关.厌氧生态中丙酸和丁酸浓度的增加早于乙酸,因此丙酸和丁酸分解菌的增长早于乙酸裂解产甲烷菌的增长.3.经过前两个阶段的运行,反应器内厌氧污泥虽然仍呈絮状,但其性能已发生很大改变,各营养类群细菌都达到了一定数量,污泥活性也大大提高(表1).当负荷提高到4.38kgCOD/m名·d,反应器运行进入颗粒污泥成熟期,反应器内污泥迅速转变成颗粒状,这一阶段中各营养类群细菌数量见表2,其中发酵性细菌和乙酸裂解产甲烷菌数量增加较大,其原因是由于负荷的迅速提高,丰富了发酵性细菌的营养,加之它的倍增时间较短,使它有较大的增长。另外,在提高负荷期丙酸和丁酸分解菌数量的增加,提高了反应器内乙酸的产率,所以乙酸裂解产甲烷菌能够得到丰富的营养而生长.(三)厌叙污泥取粒化过程的电镜观察反应器从接种到完全颗粒化,伴随着颗粒化过程的进行,厌氧活性污泥中的细菌发生了更替.图4显示了颗粒化过程中微生物生长的情况.图中的丝状菌与计数观察到的优势产甲烷菌相似,该菌专性利用乙酸盐,单个细胞为杆状,两端钝平,多个细胞常连结在一起呈丝状,电镜切片还可见到细胞联41日日l衬二勺J]中围沼气第9谁筹2期结处有隔存在.初步判断它为甲端丝藕(河etha,。孟人ri、:夕.).1戮4一z为丝蔺绕小顺粒生长的情况,此颗粒可能来自接种物;图-4一:为丝状菌自身缠绕形成100件。的颗抹.仗此顺偷爪汰构浦顺粒污泥的亚单位,一圆4一3显示顺粒表面是由许多亚单位构)戈,亚单位之间存在着间隔,这些间隔和亚单位内部的空隙为颗粒泥污与进水基质的物质交换提供了便利条件.构成葱粒污泥的亚单付之闹还有岭汁菌包玲(图4一4,、图`决气污泥顺粒化过程中细菌生长及成熟城粒表面情况根据这些观察和颖粒化过程中细菌的消试验所堵养的颖粒污泥大小为。.5、长规律,我们认为厌氧污泥顺粒化过程大教I,omm,表面光滑,优势产甲烷菌为甲烷纹如尸l`:在启动运行期,发醉性细菌、有机醉菌,表面以消化链球菌(尸即`。;`erp场c。卜分解菌和产甲烷丝菌迅速增加,丝状菌附着“;妙.)占优势.在由接种物带来的小颗粒成自身继绕生一长,忧势菌甲烷丝菌形态特征的变化对厌氧形成I。。卜m左右的和粒小体,即构成顺粒污活性污泥具有十分显著影响.据Z。五nde:报细.心亚印位.在提高负荷阶段中,这种亚单道,甲烷丝菌属中的家氏甲烷丝菌(M时五-位迅速增长,当达到一定浓度后,亚单位之。not香日尤s。助nge耐才)长度为。.8、,.。“m间的接触机会增多,相互聚集形成更大的颗的杆菌,多个细菌经常连接在一起呈丝状存粒,反应器进入颗粒污泥出现及成熟期,大在,丝状菌外有鞘〔。.我们对一个未完成翻的粗粒外围再被丝状菌进一步包裹.形成成粒化过程的反应器(反应器补充碱度不够)中热的顺粒污泥.厌氧污泥进行电镜观察,发现该菌是杆状而不是呈丝状(图5一l),这可能是该类反应器(四)细菌种群对污泥获较化及.拉污中污泥不能够绷粒化的原因.环境条仲如何泥性状的影响影响甲烷丝菌的形态还有待于进一步研究.l。。1年5)J刘双江等UASB反应器中厌氧污泥颗粒化的微生物学机理图5细菌对颗粒污泥形成及其性能的影响反应器的微生物生态系统中,发酵性细菌是生长速度最快、倍增时间最短的一类细菌.试验证明,在反应器超负荷运行时,由于这类细菌的大量繁殖,使各类细菌比例失调,这时颗粒污泥沉降性能下降,反应器出水悬浮物浓度升高,颗粒污泥由黑色转变为灰白色,电镜观察到污泥中有大量的链状排列的球菌(图5一2).在我们试验研究过程对该菌进行了分离,此菌为革兰氏阳性的专性厌氧菌,初步鉴定为消化链球菌属的细菌(PePtostrePloeoceoss乡.)2.厌氧污泥颗粒形成过程由丝状菌形成颗粒小体开始,当颗粒小体(亚单位)达到一定浓度后开始聚集形成大颗粒,大颗粒再被丝状菌进一步包裹形成成熟颗粒污泥,颗粒污泥中存在着与进水基质进行物质交换的通道。结论1.UAsB反应器以葡萄糖为基质厌氧污泥颗粒化过程只有在满足一定的有机负荷条件并且各营养类群细菌达到一定浓度下才会发生.在由絮状污泥培养颗粒污泥的过程中,发酵性细菌最先增长并在污泥中占优势,丙酸和丁酸分解菌居其次,乙酸裂解产甲烷菌数量随乙酸产率的增加而增加.参考文献〔1〕Dolfing.J.:Wat.Sei.Teeh.一s(2):15~23,J986〔2〕Hulshoff.L.andG.Lett王nga:Wat.Sei.Teeh.,15(2):4x~魂s,1056〔3〕W三e心aot,W.M`,etal.,:Biotee五.Bioeng.,25:了xs~727,1956〔4〕Lettinga,G.:SymPosiumoft五e4thinternationalConfereneeonanaerobiedi`es士ion,C五i亚a,z,85〔5〕〔6〕〔7〕吴唯民:UASB反应器内软粒污泥的形成及其特性的研究,清华大学硬士论文,1984钱释树,阂航:《沼气发醉徽生物学,,浙江科技出版社,1985Ze五nder,A,J。B.etMictobiol.,132:z~。aI二1982MierobiologiealMechanismofAnaerobieSludgeGranUI妞tioninaLiuShuangjiangTangYi(E。。iron二。ntalEogi。即,i。夕ZhouM(丑eij`。9Tea。丙er,SAna