厌氧处理硫酸盐有机废水的微生物学

摘要：对间歇厌氧反应器、UASB反应器、复合式厌氧反应器和厌氧滤池污泥中的发酵细菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌的数量和生物相进行了分析，并观察了颗粒污泥的结构，剖析了影响厌氧颗粒污泥形成的因素。
  
  
  关键词：硫酸盐有机废水 发酵细菌 硫酸盐还原菌 产甲烷 颗粒污泥
  
  1　试验材料与方法
  1.1培养基和稀释水的配制
  　　试验所用的各类细菌的培养基配方如下：
  　　①发酵细菌
  　　蛋白胨：10.0 g；牛肉膏：3.0 g；NaCl：5.0 g；蒸馏水：1 000 mL；pH＝7.4～7.6。
  　　②硫酸盐还原菌
  　　K2HPO4·3H2O：0.5 g；CaCl2·2H2O：0.1 g；MgSO4·7H2O：2.0 g；FeSO4·7H2O：0.5 g；维生素C：0.1 g；NH4Cl：1.0 g；乳酸钠(70%)：5.0 g；酵母膏：1.0 g；NaCl：1.0 g；硫代乙醇酸：0.1 g；蒸馏水：1 000 mL；pH＝7.0～7.5。
  　　③产甲烷菌
  　　K2HPO4·3H2O：0.4 g；CaCl2·2H2O：0.2 g；MgSO4·7H2O：1.0 g；MgCl2·6H2O：4.0 g；NH4Cl：0.25 g；NaCl：1.0 g；KCl：0.3 g；Na2S·9H2O：0.5 g；CH3COONa：2.0 g；NaHCO3：2.0 g；(NH4)2Fe(SO4)2·7H2O：0.002 8 g；KH2PO4：0.14 g；酵母粉：1.0 g；刃天青：0.000 2 g；半胱氨酸：0.5 g；沼气发酵液：300 mL；蒸馏水：1 000 mL；pH＝7.0。
  　　稀释水配方如下：NaCl：7 g；蒸馏水：1 000 mL；pH＝7.2～7.4。
  1.2微生物的计数和观察方法
  　　微生物的计数采用三管最大可能数(MPN)法［1］。培养一定时间后(发酵细菌1 d，产甲烷细菌21 d，硫酸盐还原菌7 d)观察生长结果，判断细菌生长阳性的依据如表1所示［2］。
  表1　厌氧细菌生长阳性的判断依据细菌类群生长阳性的主要判断依据发酵细菌培养液混浊产甲烷细菌产生甲烷气体硫酸盐还原菌产生FeS黑色沉淀2　试验结果
  　　各反应器的运行情况见表2。
  表2　反应器的运行情况反应器序号进水条件反应器类型COD负荷［kg/(m3·d)］COD去除率(%)SO42- 负荷［kg/(m3·d)］SO42-还原率(%)COD/SO24-Fe(Ⅱ)(mg/L)COD(mg/L)SO42-(mg/L)1＃1∶1 /60006 000间歇式0.673.20.640.12＃1∶11.860006 000间歇式0.6750.644.93＃2∶1/120006 000间歇式1.254.10.681.54＃2∶1100120006 000间歇式1.282.70.682.65＃5∶1/50001000UASB571.7183.26＃5∶1/50001 000复合式566.7193.37＃2∶1/20001 000厌氧滤池432.0269.78＃2∶1/20001 000厌氧滤池431.3262.89＃2∶1/20001 000厌氧滤池425.2255.9
  　　各类细菌计数结果见表3，间歇厌氧反应器中的微生物见图1。
  表3　　微生物的计数结果个/mL序号发酵细菌硫酸盐还原菌产甲烷细菌硫酸盐还原菌数/产甲烷菌数1＃(混合)4.5×1067.5×1051.4×1055.42＃(混合)2.0×1061.1×1061.5×1057.33＃(混合)2.0×1071.5×1061.1×104136.44＃(混合)1.4×1074.0×1067.5×1055.35＃(下层)1.4×1087.5×1061.4×104535.76＃(下层)1.4×1084.5×1092.5×1031.8×1067＃(上层)1.4×1061.1×1071.4×1037.9×1038＃(中层)1.1×1071.4×1081.1×1061.3×1029＃(下层)1.1×1084.5×10111.1×1024.1×109

　

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3　讨论
  3.1间歇厌氧反应器的生物相
  　　图1和表3表明，在4个间歇厌氧反应器中都是发酵细菌数量最多，硫酸盐还原菌次之，产甲烷菌最少。计数结果与各反应器水质分析结果基本相符，说明投加铁对抑制硫酸盐还原菌作用不大。
  　　由于进水SO24-浓度较高(6 000 mg/L)，在SO42-不受限制的条件下，硫酸盐还原菌比产甲烷菌具有热力学上的优势，因此硫酸盐还原菌生长繁殖得较好；采用以驯化产甲烷菌为主的驯化过程有利于产甲烷菌与硫酸盐还原菌的竞争。当有合适的COD/SO42-比值(≥2∶1)时，在同一个厌氧体系中硫酸盐还原菌和产甲烷菌可建立良好的共生关系(见表2中4＃)，COD去除率与SO42-还原率均较高(见表2)。1＃、２＃反应器的硫酸盐还原菌数量均比产甲烷菌高，但其硫酸盐还原率却很低，可见低COD/SO42-(1∶1)不利于硫酸盐还原菌竞争基质。3＃反应器中的硫酸盐还原菌数量是产甲烷菌的136倍，可见其在反应器中是占绝对优势，产甲烷菌受到抑制，故该反应器的COD去除率特别低，而硫酸盐还原率与4＃反应器相仿(见表2)。
  3.2　UASB和复合厌氧反应器的生物相
  　　UASB和复合式厌氧反应器的细菌计数结果如图2和表3所示。
  
  

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　　可以看到，2个反应器中发酵细菌数量相同，但硫酸盐还原菌与产甲烷菌却相差很大。在UASB反应器中，硫酸盐还原菌比产甲烷菌大2个数量级；在复合式厌氧反应器中，硫酸盐还原菌比产甲烷菌大6个数量级，是UASB反应器中硫酸盐还原菌的600倍。产生这种现象的原因与反应器的结构有关，复合式厌氧反应器的上部设置有填料，这些填料对一些游离的硫酸盐还原菌具有一定的截留作用，使其随出水流失的数量较小；而UASB反应器中，上部是三相分离区，没有填料的截留作用，随出水流失的硫酸盐还原菌数量也就较大一些。
  3.3厌氧滤池中微生物的组成分析
  　　由表3可以看到，在硫酸盐还原相中，以硫酸盐还原菌和发酵细菌为主，产甲烷菌的数量较少。产生这种现象的主要原因可能有3个：①反应器中的生态环境。硫酸盐还原相中的pH值较低、硫化物浓度较高，不利于产甲烷菌的生长繁殖，因此污泥中产甲烷菌生长受到抑制，数量最少，而硫酸盐还原菌和发酵细菌则较适于在这种环境下生长，故其数量较多，并能顺利完成其产酸和硫酸盐还原的功能。②硫酸盐还原相的代谢途径。厌氧滤池中硫酸盐还原菌和产甲烷菌的电子流情况表明，在负荷为4 kgCOD/(m3·d)和2 kgSO2-4/(m3·d)时，大部分有机物被硫酸盐还原菌利用，进行硫酸盐还原反应，少部分为产甲烷菌用于产甲烷。③硫酸盐还原菌比产甲烷菌具有热力学上的优势。当硫酸盐还原相中SO2-4浓度较高，SO2-4不受限制的条件下，硫酸盐还原菌比产甲烷菌更具竞争优势，有利于硫酸盐还原菌的繁殖，因此反应器内的硫酸盐还原菌多于产甲烷菌。
  　　硫酸盐还原相厌氧滤池不同滤层的细菌计数结果如图3和表3所示。
  
  

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　　从图3可以看到，从下部到上部随着高度的增加，发酵细菌和硫酸盐还原细菌逐步减少，而产甲烷菌在中层的数量最多，上层次之，下层的数量最少。分析原因是：由于下层水中COD/SO42-比值较低以及较高浓度的SO42-不利于产甲烷菌的生长，使硫酸盐还原菌有较强的竞争能力，因此下层的硫酸盐还原菌占优势，是产甲烷菌的4.09×109倍；随着高度的上升，SO42-被大量地去除，中层水、上层水的COD/SO42-比值比下层水的要大，而有机物浓度还较高，改善了产甲烷菌的生长环境，使产甲烷菌的竞争能力增强，有利于产甲烷菌的生长繁殖，因此在中层、上层的产甲烷菌数量要多于下层。
  
  4　颗粒污泥的结构和生物相
  4.1材料与方法
  　　颗粒污泥样取自于硫酸盐还原相厌氧滤池下层的灰白色颗粒污泥，制片之后，在扫描电子显微镜下观察。扫描电子显微镜样本制备过程基本为［3］：样本的取材和固定→样品脱水→临界点干燥→金属喷金→电镜观察→照相。
  4.2试验结果与讨论
  4.2.1颗粒污泥表面结构和生物相分布
  　　试验样品在扫描电子显微镜1 500～10 000的倍数下放大观察，照片如图4～7所示。
  由图4可以看到，厌氧滤池中颗粒污泥表面凸凹不平，有起伏错落的峰峦和低谷，这种山恋状的表面，使微生物更有利于同基质接触、吸附、降解和进行物质交换。还可以看到，表面上有许多直径不等、形状多样的孔洞(图4、6、7)，其中图7显示的另一个典型孔洞呈圆形，直径为3～4 μm。有报道认为［4］，它们可能是释放H2、CO2、CH4气体和向内输送营养的通道。图4～6表明有许多丝状菌攀扶在颗粒污泥表面上，它们由内向外或由外向内自由地穿入穿出，象一条条绒线把其他微生物缠绕在一起，而且可以看到许多弧状菌、杆菌、梭状菌和球菌成片地聚集生长。
  
  

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　　由扫描电镜的图片可以说明以下情况：①颗粒污泥中微生物形态有球形、弧形、杆状、梭状及丝状，包含了几乎所有的基本细菌形态，这反映了颗粒污泥微生态系统的结构和功能较稳定。②颗粒污泥中的细菌显示分裂不分离特点，造成这种现象的原因可能是：a.位阻效应，即颗粒污泥内部空间狭小、有限，细菌分裂后不能很好地分离；b.在颗粒污泥中生长速率较低，菌体含能水平较低，细胞丧失了鞭毛和运动性，从而无法脱离；c.自然选择的结果，使微生物在受到水力冲刷的影响下，为适应环境，可能选择一些相互粘联的微生物，使之不被水流带走。③细菌粘联现象是颗粒污泥结构稳定的重要因素。许多杆菌形成的“假丝状”细菌链将其他球菌、短杆菌、梭菌等形成的细菌团加以缠绕，并穿插到污泥纵深，起着类似“植物根系固定土壤”的作用，将整个颗粒污泥加以固定。
  4.2.2厌氧反应器中颗粒化污泥的形成
  　　结合运行条件和观察的结果，分析影响厌氧污泥颗粒化的因素如下：
  　　①试验以葡萄糖为有机基质，它有利于污泥的颗粒化。据文献报道［4］，在碳水化合物废水处理中有较高的氢分压，而高氢分压易于促成污泥颗粒化。脂类废水如含乙酸、丙酸、丁酸等的混合废水处理时需极低的氢分压，因而不易形成颗粒。
  　　②一定的水力负荷和有机负荷。厌氧颗粒污泥形成只有在较高的水力负荷下，才能将小的颗粒污泥与絮状污泥分离，有利于污泥的颗粒化。Hulshobb pot曾指出，污泥颗粒化的一个必要条件是污泥负荷在0.6 kgCOD/(kgVSS·d)以上，最小升流速率为1 m/d；方冶华认为在污泥颗粒化时，反应器进水COD浓度最好控制在2 000 mg/L左右；在颗粒生成后，水力负荷和有机负荷分别在0.4m3/(m2·h)和0.5kgCOD/(kgVSS·d)以上，可加快颗粒污泥的生成。本试验是在水力负荷为0.04m3/(m2·h)、COD负荷为5kgCOD/(m3·d)时，形成了颗粒污泥。
  　　③适当的微生物种群。由图4～7可以看到，反应器内的污泥中存在着大量的丝状菌，这些细菌往往可以形成长丝状，缠联交叉成网络状或捆束状，这种结构有利于其他形状的细菌被网络在其中组成密集型微生物生态分布。而且，细菌在生命活动中形成和分泌多肽类物质、粘液物质或鞘状物质，这些物质都有利于细菌间的粘附和胶联，有利于颗粒化污泥的形成。
  5　结　论
  　　①在间歇厌氧反应器中，发酵性细菌数量最多，硫酸盐还原菌次之，产甲烷菌最少。计数结果与各反应器水质分析结果基本相符，说明COD/SO2-4是影响硫酸盐还原菌与产甲烷菌对基质竞争的重要因素，投加铁对抑制硫酸盐还原菌作用不大。
  　　②在UASB和复合式厌氧反应器中，发酵细菌量最多，硫酸盐还原菌次之，产甲烷菌最少。复合式厌氧反应器上部的填料有利于截留硫酸盐还原菌，因此，其硫酸盐还原菌数量比UASB反应器约多出近3个数量级，而产甲烷菌数量约少1个数量级，这与水质分析结果(复合式厌氧反应器的硫酸盐还原率高于UASB反应器，而COD去除率低于UASB反应器)是一致的。
  　　③在硫酸盐还原相厌氧滤池中，以硫酸盐还原菌和发酵细菌为主，硫酸盐还原菌数量最多，发酵性细菌次之，产甲烷菌最少。对反应器中不同高度的生物相分析表明，从下部到上部随着高度的增加，发酵细菌和硫酸盐还原细菌逐步减少，而产甲烷菌在中层的数量最多，上层次之，下层的数量最少。
  　　④颗粒污泥的形成主要有以下原因：进水有机基质是葡萄糖；有合适的水力负荷和COD负荷［分别为0.04m3/(m2·h)和5kgCOD/(m3·d)］；反应器中存在着大量有利于污泥颗粒化的丝状菌。
  参考文献：
  ［1］Beliaefe B,Mary J Y.The Most Probable Number Estimate and its Confidence Limits［J］.Wat Res,1993,27(5):799-805.
  ［2］闵航.厌氧微生物学［M］.杭州：浙江大学出版社，1993.
  ［3］俞毓馨.环境工程生物检验手册［M］.北京：中国环境科学出版社，1990.
  ［4］Hickey R F，et al.Start-up,Operation,Monitoring and Control of high-rate Anaerobic treatment Systems［J］.Wat Sci Tech,1991,24(8):207-255.

(*^__^*) 嘻嘻……