厌氧颗粒污泥特性研究9e5f350f52ea551810a68747

环境污染与防治网络版第2期2009年2月1厌氧颗粒污泥特性研究张振华1呼世斌李再兴李晓杰（西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌712100）摘要采用葡萄糖培养液对厌氧颗粒污泥的活性进行恢复，系统研究了经充分恢复活性的厌氧颗粒污泥的特性，结果表明，恢复活性的厌氧颗粒污泥表面以丝状菌和长杆菌缠绕包裹着短杆菌和球菌，结构致密，表面粗糙，粒径以0.8～2.0mm为主，湿密度为1.05g/mL，有较好的沉降性能，辅酶F420和磷酸酯酶含量高，具有很好的比产甲烷活性，其胞外多聚物中蛋白质与总糖的比值较高，具有稳定的结构。关键词厌氧颗粒污泥物理特性化学特性微生物特性StudyonthecharacteristicsofanaerobicgranularsludgeZhangZhenhua，HuShibin，LiZaixing，LiXiaojie.（CollegeofResourcesandEnvironment，NorthwestAgriculturalandForestScience-TechnologyUniversity，YanglingShanxi712100）Abstract：Usingtheglucoseculturemediumcarriedontherestorationoftheactivityofanaerobicgranularsludge.Theexperimentwastoinvestigatethecharacteristicsofanaerobicgranularsludgeactivityafterrestoredfully.Theresultsindicatedthatthebrevibacteriumandcocciwerewrappedbythefilamentousbacteriaandthelongbacillusonthesurfaceofanaerobicgranularsludgeofactivityrecovery,withroughsurfaceandacompactstructure,besidestheparticlesizerangedfrom0.8to2.0mmprimarily,thewetdensityas1.05g/mLhadthegoodsettlingproperty,thecontentofcoenzymeF420andthephosphatasewerehigh,whichhadgoodactivityofproducingthemethane,moreover,theratiooftheproteintototalsugarinitsextracellularpolymerwashigher,andtheyhadastablestructure.Keywords：anaerobicgranularsludge；physicalcharacteristics；chemicalcharacteristics；biologicalcharacteristics20世纪70年代末，人们开发了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，并在其中培养出厌氧颗粒污泥[1]。厌氧颗粒污泥的形成是微生物自身固定化过程的结果，是一种利用生物废水处理装置结构的合理设计、运行工况的良好控制及微生物自身作用发生的微生物自然凝聚的现象[2]。这种固定化通过严格控制生物处理装置的运转负荷、处理过程的影响因素，在一定水力流动条件下，依靠微生物自身的絮凝作用而形成的固定化微生物群体，使其高度密集并保持其生物活性功能，在适宜的条件下还可以增值以满足应用之需[3]。其有利于提高生物反应器中微生物浓度，利于反应后的固液分离，缩短处理时间。此外，还可以有效实现对氮以及其他金属离子的去除。厌氧颗粒污泥对反应器处理能力的提升在某种程度上可以说是污水处理领域的一个革命。因此，对厌氧颗粒污泥的研究一度成为污水处理研究领域中的热点，得到了国内外广泛的研究和应用。然而，国内外对厌氧颗粒污泥的报导还较片面，对其系统研究还较少。笔者认为对厌氧颗粒污泥的物理特性（密度、粒径分布、沉降速度）、化学特性（总固体(TS)、挥发性固体（VS）、灰分(ASH)）和生物特性（颗粒污泥的外部结构和内部结构、产甲烷活性、胞外多聚物、辅酶F420、磷酸脂酶）进行系统研究十分必要。本实验系统研究了充分恢复活性的颗粒污泥的特性，以便更好地了解厌1第一作者：张振华，男，1984年生，硕士研究生，研究方向为水污染处理。环境污染与防治网络版第2期2009年2月2氧颗粒污泥，利用厌氧颗粒污泥，为环境治理增添新的活力。1材料与方法1.1实验装置实验装置示意图见图1，其主要由锥形瓶和恒温水浴箱组成，3个锥形瓶分别作为消化瓶、集气瓶和计量瓶。恒温水浴箱为颗粒污泥的培养提供适宜的温度。4321图1实验装置示意图1—消化瓶；2—恒温水浴箱；3—集气瓶；4—计量瓶1.2实验用水实验用水为人工配制的葡糖糖培养液，培养液COD为4000mg/L，pH为7.5，其组成为葡糖糖7.6g、尿素0.43g、磷酸二氢钾0.18g、水2L。1.3接种污泥接种污泥取自淀粉污水处理厂的厌氧颗粒污泥。1.4厌氧颗粒污泥的培养取清水淘洗后的厌氧颗粒污泥150mL置于500mL锥形瓶中，加清水定容至500mL。每隔12h取出150mL上清液，加入150mL培养液，每隔2h左右摇动培养瓶使厌氧颗粒污泥和培养液充分混合，并记录产气量。到测量的产气量基本稳定时，即可说明厌氧颗粒污泥的活性已经恢复，此时对其进行特性测定。1.5分析方法本实验采用的测定项目及分析方法见表1。2结果与分析2.1厌氧颗粒污泥的物理特性2.1.1湿密度由表2可见，颗粒污泥的湿密度为1.05g/mL，大于水的密度，故厌氧颗粒污泥有较好的沉降性能。环境污染与防治网络版第2期2009年2月3表1各测定项目的分析方法测定项目分析方法湿密度离心法[4]沉降速度沉降柱测定法[4]粒径湿式筛法[5]TS、VS、ASH重量法[4]表面结构扫描电镜观察[6]内部结构透射电镜观察[7]比产甲烷活性史氏发酵法[8]糖蒽酮比色法[9]蛋白质Folin-lowry法[9]DNA二苯胺显色法[9]辅酶F420紫外分光光度法[9]磷酸脂酶分光光度法[9]表2厌氧颗粒污泥湿密度（ρ）样品V/mLm/gρ/(g·mL-1)ρ平均/(g·mL-1)样15.65.77821.0361.05样25.45.67771.052样35.35.61341.0592.1.2粒径表3为厌氧颗粒污泥的粒径分布。表3厌氧颗粒污泥的粒径分布粒径/mm粒径分布/%样1样2样3平均≥2.00.370.390.340.371.0～2.033.3433.5733.6933.530.8～1.034.0234.1333.9234.020.6～0.814.6814.6214.7614.670.3～0.610.179.899.849.97≤0.37.427.407.457.42注：1）粒径分布以某粒度颗粒污泥质量占污泥干质量的百分比计，%。由表3可见，粒径在0.8～2.0mm的厌氧颗粒污泥占污泥干质量的百分比平均值为67.55%，占厌氧颗粒污泥的绝大部分。在厌氧反应器中，也正是这一粒度范围的颗粒污泥对反应器的高效运行具有决定性的意义。小于0.3mm的颗粒包括无机颗粒、没有形成规则外形且强度极低的生物絮团和进水带入的基质颗粒等，其颗粒粒度在冲洗过程中变化较大导致重现性误差，有小部分是由几个小颗粒粘结而成的，在冲洗中发生解体变成絮状或更小的单体进入小的粒级。2.1.3沉降速度环境污染与防治网络版第2期2009年2月4表4为厌氧颗粒污泥的沉降速度（u）。由表4可知，厌氧颗粒污泥沉降速度在39.46～86.47m/h，平均沉降速度为67.97m/h，具有很好的沉降性能，因此能够在反应器内滞留，这是高效厌氧反应器能保持较高生物量的重要原因。表4厌氧颗粒污泥的沉降速度颗粒污泥h/cmt/su/(m·h－1)U平均/(m·h－1)样13415.081.8667.97样23415.678.48样33421.158.18样43416.474.88样53416.972.65样63424.649.75样73418.964.73样83415.280.50样93415.778.19样103415.280.50样113419.762.28样123418.466.53样133414.186.47样14343139.46样153415.578.98样163422.853.78样173423.552.06样183421.257.89样193419.3563.22样203415.578.982.2厌氧颗粒污泥的化学特性表5给出了厌氧颗粒污泥的化学特性。表5厌氧颗粒污泥的TS、VS、ASH指标样1样2样3平均值a1）/g28.51129.22929.093—b2）/g29.88731.91531.892—C2）/g28.61329.43329.292—d3）/g28.52629.25129.124—水分/g1.2742.4822.600—TS/%7.437.617.117.38ASH/%1.090.791.111.00VS/%6.346.826.006.39注：1）将瓷坩埚洗涤后在600℃马弗炉灼烧1h，待炉温降至100℃后，取出瓷坩埚并于干燥器中冷却、称量。重复以上操作至恒重，记作a；2）取一定量污泥(约1～2g污泥)，置于坩埚中，称量，记作b。然后放入干燥箱，在(105土2)℃下干燥至恒重，称重，记作c；3）将含干燥后样品的坩埚在通风橱内燃烧至不再冒烟，然后放人马弗炉，在600℃下灼烧2h，待炉温降至100℃时，取出坩埚在干燥器内冷却后称量，质量记作d。环境污染与防治网络版第2期2009年2月5由表5可见，厌氧颗粒污泥的TS为7.38%，VS为6.39%，ASH为1.00%。VS和TS的质量比为0.88，颗粒污泥中大部分为水，其次为挥发分，少部分为灰分。由颗粒污泥中VS和TS的质量比（mVS/mTS）较高可以看出高活性颗粒污泥由大量的微生物组成，其具有极高的有机物含量，对污染物有很好的吸附分解作用。2.3厌氧颗粒污泥的生物学特性2.3.1颗粒污泥结构图2为成熟厌氧颗粒污泥电镜扫描照片。由图2可见，厌氧颗粒污泥表面以丝状菌和长杆菌缠绕包裹着短杆菌和球菌，结构致密，表面粗糙。表面菌群的种类以丝状菌、长杆菌、短杆菌和球菌为主。不同类型的细菌大多是以微小菌落群的形式分布，形成一个个独立的群体，少数部位为混栖菌群，这种结构有利于菌体间营养物质的传递、吸收及代谢，有利于有机物的降解。（a）×60（b）×5000图2成熟厌氧颗粒污泥电镜扫描照片2.3.2比产甲烷活性由于废水中被去除的CO要转化为甲烷，因此污泥产甲烷活性可以反映出污泥具有的去除COD及产生甲烷的潜力，它是污泥品质的重要参数。图4为厌氧颗粒污泥甲烷产量—发酵时间曲线。由图4可见，甲烷产量先加快后变慢，在20～30min时产量最快，表明当厌氧颗粒污泥的活性得到充分恢复后，其甲烷产量会在很短的时间内达到高峰，具有很好的产甲烷活性。在70min以后产甲烷速率明显下降，可推知水中有机物已大部分被分解，故高活性的厌氧颗粒污泥对高浓度有机废水具有很好的处理效果，比产甲烷速率（以单位质量VSS在单位时间内产甲烷的体积计）的3次测定结果：样品1为342.29mL/（g·d），样品2为336.24mL/（g·d），样品3为345.14mL/（g·d），平均为341.22mL/（g·d）。环境污染与防治网络版第2期2009年2月6（a）样品1（b）样品2（c）样品3图4甲烷产量—发酵时间曲线2.3.3胞外多聚物的测定自然界中存在非常丰富的细胞外多聚物（ECP）。细菌ECP是微生物分泌的一种多糖类大分子有机物，主要由有机物碎片、噬菌体、溶解的细胞和细菌分泌的有机物组成，它含有多糖、蛋白质、脂类、酚和核酸。不同的细菌其ECP有不同的功能，它能摄取可溶环境污染与防治网络版第2期2009年2月7