厌氧颗粒污泥的特性及其培养和应用研究

厌氧颗粒污泥的特性及其培养和应用研究1、厌氧颗粒污泥的特性2、厌氧颗粒污泥的培养3、厌氧颗粒污泥的应用4、厌氧颗粒污泥的前景和展望1、厌氧颗粒污泥的特性•厌氧颗粒污泥的外观并不十分规则，一般呈球形或椭球形，肉眼可观察到颗粒的表面包裹着灰白色的生物膜。成熟的厌氧颗粒污泥表面边界清晰，直径变化范围为0.5~3mm（最大直径可达7mm），密度约在1.03~1.080kg/m3之间。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，一般呈灰黑或褐黑色。通常颗粒污泥具有良好的沉降性能。沉降速度多在5~10mm/s之间。•厌氧颗粒污泥的性质与培养条件有关。采用不同形式的反应器，不同的操作条件，不同种类的处理废水等都会培养出不同性质的颗粒污泥，因此对颗粒污泥品质的优劣很难有明确的定义。我们讨论颗粒污泥的特性时，主要考虑其颗粒化程度、沉降性能、及活性。•通常情况下，颗粒化程度越高，粒径越大的颗粒污泥沉降性能越好，对有机物的去除率也就越高。金涛等人[2]通过对内循环厌氧反应器颗粒污泥沉降性能的研究，得出结论：污泥床下部大粒径污泥比上部多，而污泥床下部的颗粒污泥的沉降速度要比上部大。然而，颗粒污泥的产甲烷活性，似乎不与上述呈同样的规律。HulshoffPol等研究表明[3]，主要由杆状菌、丝状菌组成的球形及松散球形颗粒污泥的粒径较大，且丝状菌附着在惰性粒子表面的丝状菌含量越多，污泥颗粒粒径越大，沉降性能越好，对有机物去除率也就越高；主要由产甲烷八叠球状菌组成的紧密球状颗粒污泥，产甲烷活性较前者高很多，但其粒径较小，沉降性能不如前者，因而所能承受的负荷也不如前者高。由此我们可以预见，分开培养不同菌种组成、产生于不同阶段的颗粒污泥，会利于它们各司其职，取得更好的处理效果（尤其是脱氮除磷效果），这将成为厌氧污泥技术发展的一个趋势。沈耀良教授等[3]对于ABR反应器处理高、低浓度废水时污泥的颗粒化及其微生物生态特性的研究证明了这点。ABR反应器中，每个隔室中进行着由不同种群微生物参与的对有机基质的生物降解过程。另外，徐宏英等[4]在35℃下以奶粉人工合成废水为底物连续进行了两段厌氧反应（ⅠⅡ-ASBR），对ⅠⅡ两柱中厌氧颗粒污泥的形态及微生物组成进行扫描电镜观察，并测定了其不同基质中的比产甲烷活性。结果表明，ⅠⅡ-ASBR反应器中微生物均以颗粒污泥的形式存在，Ⅰ柱的颗粒污泥粒径大，结构紧密，菌群复杂多样，以球菌、杆菌及甲烷八叠球菌为主；Ⅱ柱中的颗粒污泥粒径较小，呈明显的多孔、网状结构，菌群以产甲烷丝菌及短杆菌为主，球菌较少。若从比产甲烷活性角度，Ⅰ柱颗粒污泥以产氢产甲烷菌及甲烷八叠球菌为主，Ⅱ柱中颗粒污泥则以杆菌及甲烷丝状菌为优势。两柱均能形成适合各自运行模式及环境条件的优势菌。2、厌氧颗粒污泥的培养•21接种污泥及接种量•厌氧消化污泥、河底淤泥、牲畜粪便、化粪池污泥及好氧活性污泥等均可作为污泥种而培养颗粒污泥。如果接种污泥已经是颗粒污泥，只需培养驯化一下即可，采用颗粒污泥为种泥，可加快颗粒化进程，缩短反应器的启动时问。如果采用活性污泥接种的话就比较麻烦，但共同点必须是种泥内含有可降解目标废水中有机物的微生物。一般说来，用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的[10]。没有处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥时，厌氧消化污泥或粪可优先考虑。池勇志等[11]的研究表明，为了高效、快速地降解废水中的难生物降解有机物,建议向厌氧反应器中投加优势菌(产甲烷菌),以进一步提高厌氧反应器降解废水中难生物降解有机物的效率和速度。•所需的接种量目前还没有明确的界定，一般认为接种量为UASB反应器有效容积的10％一30％为佳。•22废水中有机物浓度及营养元素、微量元素的含量•废水的性质对颗粒污泥的驯化、培养有着直接的影响，同时在很大程度上决定颗粒污泥的组分和特性。张伟[5]通过以城市污水处理厂厌氧消化污泥接种的UASB处理不同有机物浓度的废水，得出结论：利用厌氧反应器处理不同类型的废水可得到不同性质的颗粒污泥，肺水中有机物含量高的颗粒污泥产甲烷活性较好，有机负荷高的进水得到的颗粒污泥粒径较大。•培养颗粒污泥的进水COD浓度一般在1000-5000mg/L为宜，高的进液浓度有利于底物向构成颗粒污泥的细菌细胞传递，因而有利于颗粒污泥的形成和生长。但浓度不能过高，过高时细菌生长过快，形成的污泥结构松散、沉降性能差；过低会延长培养时间，甚至难以形成厌氧颗粒污泥。[1]•在当废水中N、P等营养元素不足时，不易于形成颗粒，对于已经形成的颗粒污泥会发生细胞自溶，导致颗粒破碎，因此要适当加以补充[6]。N源不足时，可添加氮肥、含氮量高的粪便、氨基酸渣及剩余活性污泥等；P源不足时，可适当投加磷肥。•SharmaJitender等[7]研究发现少量铁、镍、钴和锰等微量元素离子的加入能提高COD的去除率和污泥的颗粒化过程速率。因为这些微量元素是产甲烷辅酶重要的组成部分，适量补充可以增加所有种群单位质量微生物中活细胞的浓度以及它们的酶活性。•23水力负荷和气体上升速度•水力负荷和气体上升速度是影响厌氧颗粒污泥形成的重要因素。P．A．Alphenaar等发现在液体上流速度快和水力停留时间短时易形成颗粒污泥。[16]水力负荷和气体上升速度对污泥床产生沿水流方向的搅拌作用和水力筛选作用，是UASB等一系列无载体厌氧反应器形成颗粒污泥的必要条件。通过水力负荷能筛选沉降性能良好的污泥，淘汰结构松散、沉降性能差的絮状污泥。水力筛选作用能将微小的颗粒污泥与絮体污泥分开，污泥床底聚集比较大的颗粒污泥，而比重较小的絮体污泥则进入悬浮层区，或被淘汰出反应器。气体上升速度能产生定向搅拌作用，剪切力使颗粒产生不规则的旋转运动，有利于丝状微生物的相互缠绕，为颗粒的形成创造一个外部条件。但过高有害，会使形成的颗粒污泥分散、沉降性能降低[1]。同样，在水力负荷和气体上升速度过低的情况下，有利于分散微生物的生长，这将产生膨胀型污泥，当这些微生物不附着在固体支撑颗粒上生长时，将会形成沉降性能很差的松散丝状缠绕结构。Riitta等[8]的研究中认为，液体上升流速在2.5～3.0m/d之间内，最有利于UASB反应器内污泥的颗粒化。•24碱度•曹刚等[9]研究发现在一定碱度范围内，进水碱度高，污泥颗粒化速度快。碱度对污泥颗粒化的影响表现在两方面：一是对颗粒化进程的影响；二是对颗粒污泥活性的影响。后者主要表现在通过调节pH值(即通过碱度的缓冲作用使pH值变化较小)使得产甲烷菌呈不同的生长活性，前者主要表现在对污泥颗粒分布及颗粒化速度的影响。在一定的碱度范围内，进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快，但颗粒污泥的产甲烷活性低；进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢，但颗粒污泥的产甲烷活性高。因此，在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高(但不能使反应器体系的pH高于8.2，这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制)以加速污泥的颗粒化，使反应器快速启动；而在颗粒化过程基本结束时，进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的产甲烷活性。•25其他因素•为了保证反应器内的最佳生长条件，必要时投加无机絮凝剂或高聚物可改变废水的成分，其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。•向反应器中投加适量的细微颗粒物如粘土、陶粒、颗粒活性炭等惰性物质，利用颗粒物的表面性质，加快细菌在其表面的富积，使之形成颗粒污泥的核心载体，有利于缩短颗粒污泥的出现时间。但投加过量的颗粒会在水力冲刷和沼气搅拌下相互撞击、摩擦,造成强烈的剪切作用，阻碍初成体的聚集和粘结，对于颗粒污泥的成长有害无益。•郭晓磊等[12]向低浓度生活污水中投加絮凝剂(壳聚糖)和颗粒活性炭(GAC)的试验结果表明,这两种物质对厌氧污泥的颗粒化均有促进作用,但不如在中、高浓度污水中明显。二者相比,GAC的效果更好一些(反应器的运行稳定,耐冲击能力强,出水水质良好),各反应器中形成的颗粒污泥均以产甲烷丝状菌为主。•适量惰性物如Ca2+、Mg2+和CO32-、SO42-等离子的存在，能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。3、厌氧颗粒污泥的应用•厌氧污水处理工艺已经成功地应用到很多领域，目前大多数高效厌氧反应器，如升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧颗粒膨胀床(EGSB)、厌氧膨胀床(AEBR)等，其良好效果均来自于高活性厌氧颗粒污泥。•31厌氧颗粒污泥处理高浓度有机废水•自1976年厌氧颗粒污泥的发现以来，众多研究均集中在厌氧颗粒污泥处理高浓度有机废水方面，取得的成就大大促进了各种厌氧处理器的发展。针对不同处理器研究的厌氧颗粒污泥成分大致相同，但组分含量差异却很大，因此性能也有不同。从各种反应器的发展历程，也可以看到厌氧颗粒污泥的发展向着更高负荷、更佳性质、更低能耗的方向发展。例如，EGSB和IC反应器充分运用了污泥颗粒化、流态化、反馈控制（回流）、大高径比设计等成熟生物与工程技术，同时由于作为微生物聚合体的颗粒污泥的各项性能随着反应器的操作条件和处理负荷等因素做出相应的调整，克服了附着生长反应器由于使用填料而造成的易堵塞和动力消耗较大等缺点。[13]并且，有研究提出，对高浓度工业废水，好氧污泥、厌氧污泥的串联组合方式将成为最佳选择。[15]•32厌氧氨氧化(ANAMMOX)颗粒污泥•ANAMMOX是目前已知最简捷和最经济的生物脱氮工艺，特别适合于低碳高氨氮废水。如垃圾渗滤液，污泥上清液等。但ANAMMOX菌生长缓慢。富集较闲难．在有机碳源存在时与反硝化菌存在竞争关系。若能形成颗粒污泥．则可以在反应器内大量滞留ANAMMOX菌．提高反应器的总氮负荷和抗冲击能力。而且可以形成反硝化菌与ANAMMOX菌的共生体系．在颗粒外围以COD降解和反硝化作用为主，内部则以ANAMMOX反应为主．从而减少反硝化菌对ANAMMOX菌的抑制作用。吕永涛等[14]在厌氧生物转盘系统中成功培养了厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌和颗粒污泥，获得了稳定运行和较高的脱氮率。并采取合理措施有效抑制了丝状菌生长。•34厌氧颗粒污泥吸附重金属•颗粒污泥比表面积大．孔隙度高．其内的微生物可以分泌具螯合作用的胞外高聚物。而且易于固液分离．吸附饱和后．可以很方便的从废水中去除。因此可用来做生物吸附剂。用厌氧颗粒污泥处理含Pb废水的报道显示．在温度17℃，pH为6．0。沉降50min后。Pb的去除率达到99．3％。[15]4、厌氧颗粒污泥的前景和展望•33厌氧颗粒污泥降解五氯苯酚•五氯苯酚(PCP)是一种重要的有机化工原料．常作为防腐剂、杀虫剂和消毒剂，因为剧毒，被美国环保局列为优先控制污染物。其在厌氧和好氧条件下都可以生物降解。但目前研究以厌氧条件下居多。厌氧颗粒污泥由于具有良好的沉降性能．可以为不同的微生物提供良好的生存环境．特别是可以减小有毒物质在颗粒内部的浓度．而被众多研究者看好。现有的相关研究或者用颗粒污泥对含PCP废水进行处理．或者在外加碳源的情况下接种絮状污泥培养出具有PCP降解能力的特种颗粒污泥。[15]•厌氧颗粒污泥工艺起步早，现已较为成熟，在废水处理中具有应用范围广、能耗低、负荷高、剩余污泥量少等优点，尤其对高浓度工业废水的处理效果非常显著。但厌氧微生物生长缓慢，污泥颗粒化需要较长时间，并且对温度等其他条件要求较高，脱氮除磷效果差等缺点。针对这些缺点，我们提出以下几点厌氧颗粒污泥的发展前景：•41目前厌氧颗粒污泥技术主要集中在对高浓度污水的处理方面，我们应通过对厌氧颗粒污泥形成机理的进一步研究，寻找出适合低浓度污水处理条件下的厌氧污泥，将厌氧污泥的发展拓宽到整个污水处理领域。•42通过对厌氧颗粒污泥中微生物种群的进一步研究，按照分开培养不同菌种组成、产生于不同阶段的颗粒污泥的趋势，研究出更好的脱氮除磷效果的新工艺。•43目前市场上厌氧颗粒污泥的价格较贵，但是随着未来各种厌氧处理器的普及使用，其价格也会逐渐趋向合理。