厌氧污泥颗粒化技术综述

厌氧污泥颗粒化技术综述1厌氧污泥颗粒化技术综述王劲松（华南理工大学造纸与环境工程学院，广州，510641）摘要文中对厌氧污泥颗粒化技术的现状和发展进行了综述，对厌氧污泥颗粒化机制及其影响因素进行了报道，根据我国目前城市生活污水处理情况，论述了厌氧污泥颗粒化对促进厌氧技术应用于城市生活污水处理的影响和意义。并在综合微生物絮凝剂的基础上论述了生物絮凝促进厌氧污泥颗粒化的可行性。关键词厌氧污泥颗粒化生活污水DevelopmentofanaerobicsludgegranulationHuyongyouWangjinsong(Southchinauniversityoftechnology，Guangzhou,510641)AbstractSituationanddevelopmentofanaerobicsludgegranulationaresummarizedanddiscussedinthispaper.Themechanismandtheeffectoffactorsonanaerobicsludgegranulationarereportedindetail.Basedonthepresenttreatmentofmunicipaldomesticwastewater,theinfluenceandsignificanceofanaerobicsludgegranulationwhichpromotesapplicationoftechnologyofanaerobicsludgegranulationondomesticwastewatertreatmentarediscussed.andKeywordsanaerobicsludgegranulationdomesticwastewater1896年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，至1914年，美国有14个城市建立了厌氧消化池。40年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，50年代中期出现了厌氧接触反应器。60年代末，Young和McCarty发明了厌氧滤器（AF）,70年代，荷兰农业大学环境系Lettinga等发展的上流式厌氧污泥床（UASB）引起全世界的广泛关注。随后出现了厌氧流化床（AFB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、厌氧内循环反应器（IC）、厌氧升流式流化床（UFBBIOBED）、以及阶段多相厌氧反应器（SMPA）等使得厌氧技术得到空前的发展[1-2]。在厌氧技术的发展史上，可以将其分为三个阶段：以厌氧消化池为代表的第一代厌氧生物处理技术，以厌氧接厌氧污泥颗粒化技术综述2触工艺为标志的第二代厌氧生物处理技术和在第二代厌氧生物处理技术基础上开发的以EGSB反应器为代表的第三代厌氧生物处理技术[2]。据资料统计，到1997年3月，全世界已有973套不同厌氧反应器的厌氧处理装置，厌氧工艺已成功地用于各种工业废水处理[3]，上流式厌氧污泥床（UASB）反应器在近十年得到了最广泛的应用，大约占厌氧反应器总数的67%[4]，但是,由于大多数厌氧菌很敏感的特性和专性厌氧微生物的酶系统对氧的极端不稳定性,使反应器的菌群对极小的变化比好氧系统表现得更加敏感,因此厌氧系统的启动时间较长,短的二三个月,长的达半年甚至一年之久,严重影响了UASB工艺在污水处理中的应用[5、10]。厌氧污泥颗粒化是大多数UASB反应器启动的目标和成功的标志[1]，能否成功地培育颗粒污泥是保证USAB反应器高效和稳定运行的关键。此外，在其他悬浮生长系统中，如厌氧序列间歇反应器（ASBR）和膨胀污泥颗粒床（EGSB），厌氧污泥颗粒化技术也非常重要[6-7]。目前，厌氧颗粒污泥的形成机制和如何加快污泥颗粒化过程已成为各国学者关注的课题。67%3%6%6%6%12%UASB流化床复合型AFEGSB氧化塘CSTR图1世界范围内厌氧系统的利用情况1厌氧污泥颗粒化意义厌氧生物处理系统可以分为两大类：悬浮生长系统和附着生长系统，颗粒污泥是悬浮生长系统生物体固定的重要保证[8]。每克厌氧颗粒污泥含有数以百万计的厌氧微生物，它们形成一个复杂而又密实的系统，构成这个系统的任何个体不能对废水中的污染物质进行完全的降解，它们通过种间的相互作用达到去除污染物的目的。因此，以厌氧颗粒污泥为特征的厌氧反应器能够保持相当数量的厌氧微生物，这样便能确保污染物质的快速转化，进而能够对高浓度、大水量的污水进行处理。在这厌氧污泥颗粒化技术综述3些反应器中，形成的粗大而又相对较大密度的颗粒污泥沉降性能良好，这样可以使得生物体容易分离。2厌氧颗粒污泥基本特性、微生物相及结构模型2.1颗粒污泥结构模型及电镜观察图2初期颗粒污泥扫描电镜图3初期颗粒污泥透视电镜图4形成期颗粒污泥扫描电镜图5成熟期颗粒污泥扫描电镜图6颗粒污泥外观图2到图6[9]分别为厌氧颗粒污泥在不同时期的扫描和透视电镜。从中可以看出刚开始时颗粒结构松散，不同菌种间还没有形成稳定的生态体系，随着反应器的运行，颗粒不断长大，菌种间逐渐相互依靠，此时可以明显看出构成颗粒污泥的内核为产甲烷菌，外部为产酸菌，成熟期的颗粒污泥性质逐渐稳定，优势菌凸现出来，厌氧污泥颗粒化技术综述4结构密实，沉降性能良好、稳定。图6是对颗粒污泥的外观进行的电镜扫描，可以看出大多颗粒污泥成椭圆形。用一个模型来描述颗粒污泥的结构如下（见图7）：图7Macleod的结构模型2.2厌氧颗粒污泥的基本特性2.2.1物理特性厌氧颗粒污泥的形状大多数具有相对规则的球形或椭球形。成熟的厌氧颗粒污泥(简称颗粒污泥)表面边界清晰,直径变化范围为0.14～5mm,最大直径可达7mm。颗粒污泥的颜色通常是黑色或灰色。但贺延龄和Kosaric曾观察到白色颗粒污泥[11]。颗粒污泥的颜色取决于处理条件,特别是与Fe、Ni、Co等金属的硫化物有关。Kosaric等发现当颗粒污泥中的S/Fe值比较低时,颗粒呈黑色[11]。颗粒污泥的密度约在1030～1080kg/m3之间。密度与颗粒直径之间的关系尚未能完全确定,一般认为污泥的密度随直径的增大而降低。用扫描电镜观察颗粒污泥表面,经常可以发现许多孔隙和洞穴,这些孔隙和洞穴被认为是基质传递的通道,气体也可经此输送出去[12、13]。直径较大的颗粒污泥往往有一个空腔[11]，这是由于基质不足而引起细胞自溶造成的,大而空的颗粒污泥容易被水流冲出或被水流剪切成碎片,成为新生颗粒污泥的内核[14]。颗粒污泥的孔隙率在40%～80%之间,小颗粒污泥孔隙率高而大颗粒污泥孔隙率低,因此小颗粒污泥具有更强的生产甲烷丝状菌产乙酸菌和氢消耗菌产酸菌和氢消耗菌厌氧污泥颗粒化技术综述5命力和相对高的产甲烷活性。颗粒污泥有良好的沉降性能,Schmidt等认为其沉降速度范围为18～100m/h,典型值在18～50m/h之间。根据沉降速率可将颗粒污泥分为三类：第一种,沉降性能不好,18～20m/h；第二种,沉降性能满意,18～50m/h;第三种,沉降性能很好,50～100m/h。后两种属于良好的污泥[15]。杨秀山在处理豆制品废水时得到了79～180m/h沉降速度的颗粒污泥[16]。2.2.2化学特性颗粒污泥的干重(TSS)是挥发性悬浮物(VSS)与灰分(ASH)之和。VSS主要由细胞和胞外有机物组成,通常情况下VSS占污泥总量的比例是70%～90%[17,18]。Lettinga给出的范围为30%～90%,其下限30%是在高浓度Ca2+存在下取得的。Ross在其研究中发现含VSS约90%的颗粒污泥中,有机物中粗蛋白占11.0%～12.5%,碳水化合物占10%～20%[19]。颗粒污泥中一般含C40.5%,H约7%,N约10%左右。2.2.3无机组分颗粒污泥中的无机灰分含量因生长基质的不同而有较大的差异,其范围值为8%～66%[14,15,17,20]。一般中温条件下复杂基质培养的颗粒污泥的灰分比单一基质培养的低;高温下培养的污泥灰分比中温培养高1.5倍。研究表明,灰分的增加将提高颗粒污泥的密度,过高的灰分会导致污泥孔隙率的降低,影响基质在颗粒污泥中的扩散[21]。颗粒污泥中Fe、Ca、Si、P、S均为大量元素[12,21],Ca、Mg、Fe和其他一些金属离子可能以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐或硫化物的形式存在于颗粒污泥中。2.2.4胞外多聚物(ExtraCellularPolymers)借助扫描和透射电镜观察颗粒污泥,经常发现一些细菌表面分泌有一层薄薄的粘液层,即胞外多聚物(简称ECP)。厌氧污泥与好氧污泥分泌的ECP成分有很大差异,厌氧污泥的ECP以胞外聚多糖(ExtracellularPolysaccharides,简称EPS)和蛋白质为主,好氧污泥的分泌物以碳水化合物为主,但好氧污泥ECP产量约为厌氧污泥的4～7倍。颗粒污泥中的许多厌氧细菌都可产生ECP。Veiga等发现甲酸甲烷杆菌和马氏甲烷八叠球菌提供了颗粒污泥的EPS中各种糖组分,前者的作用似乎更大些[22]。厌氧污泥颗粒化技术综述6一般认为,颗粒污泥的形成与ECP的产生有密切的联系。Morgan等认为ECP的组分可以改变细菌絮体的表面特性和颗粒污泥的物理特性,废水中的细菌一般带负电荷,相互会产生静电排斥力,ECP的产生可以改变细菌的表面电荷和能量,从而导致细菌凝聚；但过多的ECP反而会引起凝聚恶化[23]。ECP可在共生细菌间提供各种化学键,如多糖—蛋白质特殊连接键,氢键、极性键等。Quarmby的研究证明ECP的组分对颗粒污泥的结构稳定性有很大影响,ECP中碳水化合物与蛋白质含量的比(C/N)越大,颗粒的稳定性越差[18]。颗粒污泥中ECP的含量,文献报道在0.6%～20%VSS范围内。不同培养条件和方法培养出的颗粒污泥中的ECP的组成和含量是不同的,而ECP的不同提取方法和分析方法使得各种颗粒污泥中进行ECP量和成分的比较显得十分困难。一般认为：ECP的主要成分是蛋白质和聚多糖,还有类脂质、核酸等物质；ECP中蛋白质与聚多糖的数量比多在2：1到6∶1之间。聚多糖的主要单糖成分有：鼠梨糖、岩藻糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、氨基葡糖、半乳糖胺、甘露糖胺,有时也能发现核糖成分。表1为Veiga等人提供的聚多糖的单糖[22]。表1颗粒污泥、甲酸甲烷杆菌、马氏甲烷八叠球菌分泌的EPS中单糖组分[22]ECP的产生量和颗粒污泥的生长条件有关。高温下,颗粒污泥的ECP浓度小于中温条件,但ECP的基本组成相同。Veiga等人的研究表明：在低磷和低氮条件下ECP的产生量有较大提高,EPS的产生量分别提高68.5%和74.1%;加入过量的厌氧污泥颗粒化技术综述7Mg2+,ECP产生量没有明显改变,但EPS的产生量却提高了25%。Bull等人也证明了C/N值的提高会刺激EPS的产生,从而增进细菌与固体表面的粘连[24]。2.3厌氧颗粒污泥的微生物相颗粒污泥本质上是多种微生物的聚集体,主要由厌氧消化微生物组成。颗粒污泥中参与分解复杂有机物、生成甲烷的厌氧细菌可分为三类：第一类，水解发酵菌,对有机物进行最初的分解,生成有机酸和酒精；第二类，产乙酸菌,对有机酸和酒精进一步分解利用；第三类，产甲烷菌,将H2、CO2、乙酸以及其它一些简单化合物转化成为甲烷。水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷细菌在颗粒污泥内生长、繁殖,各种细菌互营互生,菌丝交错相互结合形成复杂的菌群结构,增加了微生物组成鉴定的复杂性。检验颗粒污泥微生物相的方法有电镜技术、限制性培养基法、MPN(MostProbableNumber)法和免疫探针法等。限于条件,国内的研究大多采用电镜技术(TEM或SEM),对细菌的鉴定较为粗糙。免疫探针法能较为准确地鉴定细菌种类及其分布,国外研究人员运用较多。目前,对颗粒污泥中微生物相的研究大部分集中在产甲烷菌上,对其他两类细菌的研究不多。研究发现,72%的甲烷是通过乙酸转化的,颗粒污泥中已发现的产甲烷菌中,甲烷髦毛菌和甲烷八叠球菌是唯一两种能代谢乙酸的产甲烷菌。甲烷髦毛菌只能在乙酸基质中生长。甲烷八叠球菌可以利用的基质较多,有乙酸、甲醇、甲胺,有时也可利用H2和CO2;甲烷八