冀濱弘1，章非娟2，穆軍2，宋力杰2
(1.深圳市排水管理處，廣東深圳518030；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海200092)
摘 要：對間歇厭氧反應器、UASB反應器、復合式厭氧反應器和厭氧濾池污泥中的發酵細菌、硫酸鹽還原菌、產甲烷菌的數量和生物相進行了分析，并觀察了顆粒污泥的結構，剖析了影響厭氧顆粒污泥形成的因素。
關鍵詞：硫酸鹽有機廢水；發酵細菌；硫酸鹽還原菌；產甲烷菌；顆粒污泥
中圖分類號：X703
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)03-0070-04 1 試驗材料與方法 1.1培養基和稀釋水的配制
試驗所用的各類細菌的培養基配方如下：
①發酵細菌
蛋白胨：10.0 g；牛肉膏：3.0 g；NaCl：5.0 g；蒸餾水：1 000 mL；pH＝7.4～7.6。
②硫酸鹽還原菌
K2HPO4·3H2O：0.5 g；CaCl2·2H2O：0.1 g；MgSO4·7H2O：2.0 g；FeSO4·7H2O：0.5 g；維生素C：0.1 g；NH4Cl：1.0 g；乳酸鈉(70%)：5.0 g；酵母膏：1.0 g；NaCl：1.0 g；硫代乙醇酸：0.1 g；蒸餾水：1 000 mL；pH＝7.0～7.5。
③產甲烷菌
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；沼氣發酵液：300 mL；蒸餾水：1 000 mL；pH＝7.0。
稀釋水配方如下：NaCl：7 g；蒸餾水：1 000 mL；pH＝7.2～7.4。
1.2微生物的計數和觀察方法
微生物的計數采用三管最大可能數(MPN)法［1］。培養一定時間后(發酵細菌1 d，產甲烷細菌21 d，硫酸鹽還原菌7 d)觀察生長結果，判斷細菌生長陽性的依據如表1所示［2］。 表1 厭氧細菌生長陽性的判斷依據| 細菌類群 | 生長陽性的主要判斷依據 | | 發酵細菌 | 培養液混濁 | | 產甲烷細菌 | 產生甲烷氣體 | | 硫酸鹽還原菌 | 產生FeS黑色沉淀 | 2 試驗結果 各反應器的運行情況見表2。 表2 反應器的運行情況| 反應器序號 | 進水條件 | 反應器類型 | COD負荷［kg/(m3·d)］ | COD去除率(%) | SO42-負荷［kg/(m3·d)］ | SO42-還原率(%) | | COD/SO24- | Fe(Ⅱ)(mg/L) | COD(mg/L) | SO42-(mg/L) | | 1＃ | 1∶1 | / | 6000 | 6 000 | 間歇式 | 0.6 | 73.2 | 0.6 | 40.1 | | 2＃ | 1∶1 | 1.8 | 6000 | 6 000 | 間歇式 | 0.6 | 75 | 0.6 | 44.9 | | 3＃ | 2∶1 | / | 12000 | 6 000 | 間歇式 | 1.2 | 54.1 | 0.6 | 81.5 | | 4＃ | 2∶1 | 100 | 12000 | 6 000 | 間歇式 | 1.2 | 82.7 | 0.6 | 82.6 | | 5＃ | 5∶1 | / | 5000 | 1000 | UASB | 5 | 71.7 | 1 | 83.2 | | 6＃ | 5∶1 | / | 5000 | 1 000 | 復合式 | 5 | 66.7 | 1 | 93.3 | | 7＃ | 2∶1 | / | 2000 | 1 000 | 厭氧濾池 | 4 | 32.0 | 2 | 69.7 | | 8＃ | 2∶1 | / | 2000 | 1 000 | 厭氧濾池 | 4 | 31.3 | 2 | 62.8 | | 9＃ | 2∶1 | / | 2000 | 1 000 | 厭氧濾池 | 4 | 25.2 | 2 | 55.9 | 各類細菌計數結果見表3，間歇厭氧反應器中的微生物見圖1。 表3 微生物的計數結果個/mL| 序號 | 發酵細菌 | 硫酸鹽還原菌 | 產甲烷細菌 | 硫酸鹽還原菌數/產甲烷菌數 | | 1＃(混合) | 4.5×106 | 7.5×105 | 1.4×105 | 5.4 | | 2＃(混合) | 2.0×106 | 1.1×106 | 1.5×105 | 7.3 | | 3＃(混合) | 2.0×107 | 1.5×106 | 1.1×104 | 136.4 | | 4＃(混合) | 1.4×107 | 4.0×106 | 7.5×105 | 5.3 | | 5＃(下層) | 1.4×108 | 7.5×106 | 1.4×104 | 535.7 | | 6＃(下層) | 1.4×108 | 4.5×109 | 2.5×103 | 1.8×106 | | 7＃(上層) | 1.4×106 | 1.1×107 | 1.4×103 | 7.9×103 | | 8＃(中層) | 1.1×107 | 1.4×108 | 1.1×106 | 1.3×102 | | 9＃(下層) | 1.1×108 | 4.5×1011 | 1.1×102 | 4.1×109 |  3 討論 3.1間歇厭氧反應器的生物相
圖1和表3表明，在4個間歇厭氧反應器中都是發酵細菌數量最多，硫酸鹽還原菌次之，產甲烷菌最少。計數結果與各反應器水質分析結果基本相符，說明投加鐵對抑制硫酸鹽還原菌作用不大。
由于進水SO24-濃度較高(6 000 mg/L)，在SO42-不受限制的條件下，硫酸鹽還原菌比產甲烷菌具有熱力學上的優勢，因此硫酸鹽還原菌生長繁殖得較好；采用以馴化產甲烷菌為主的馴化過程有利于產甲烷菌與硫酸鹽還原菌的競爭。當有合適的COD/SO42-比值(≥2∶1)時，在同一個厭氧體系中硫酸鹽還原菌和產甲烷菌可建立良好的共生關系(見表2中4＃)，COD去除率與SO42-還原率均較高(見表2)。1＃、２＃反應器的硫酸鹽還原菌數量均比產甲烷菌高，但其硫酸鹽還原率卻很低，可見低COD/SO42-(1∶1)不利于硫酸鹽還原菌競爭基質。3＃反應器中的硫酸鹽還原菌數量是產甲烷菌的136倍，可見其在反應器中是占絕對優勢，產甲烷菌受到抑制，故該反應器的COD去除率特別低，而硫酸鹽還原率與4＃反應器相仿(見表2)。
3.2 UASB和復合厭氧反應器的生物相
UASB和復合式厭氧反應器的細菌計數結果如圖2和表3所示。
可以看到，2個反應器中發酵細菌數量相同，但硫酸鹽還原菌與產甲烷菌卻相差很大。在UASB反應器中，硫酸鹽還原菌比產甲烷菌大2個數量級；在復合式厭氧反應器中，硫酸鹽還原菌比產甲烷菌大6個數量級，是UASB反應器中硫酸鹽還原菌的600倍。產生這種現象的原因與反應器的結構有關，復合式厭氧反應器的上部設置有填料，這些填料對一些游離的硫酸鹽還原菌具有一定的截留作用，使其隨出水流失的數量較小；而UASB反應器中，上部是三相分離區，沒有填料的截留作用，隨出水流失的硫酸鹽還原菌數量也就較大一些。
3.3厭氧濾池中微生物的組成分析
由表3可以看到，在硫酸鹽還原相中，以硫酸鹽還原菌和發酵細菌為主，產甲烷菌的數量較少。產生這種現象的主要原因可能有3個：①反應器中的生態環境。硫酸鹽還原相中的pH值較低、硫化物濃度較高，不利于產甲烷菌的生長繁殖，因此污泥中產甲烷菌生長受到抑制，數量最少，而硫酸鹽還原菌和發酵細菌則較適于在這種環境下生長，故其數量較多，并能順利完成其產酸和硫酸鹽還原的功能。②硫酸鹽還原相的代謝途徑。厭氧濾池中硫酸鹽還原菌和產甲烷菌的電子流情況表明，在負荷為4 kgCOD/(m3·d)和2 kgSO2-4/(m3·d)時，大部分有機物被硫酸鹽還原菌利用，進行硫酸鹽還原反應，少部分為產甲烷菌用于產甲烷。③硫酸鹽還原菌比產甲烷菌具有熱力學上的優勢。當硫酸鹽還原相中SO2-4濃度較高，SO2-4不受限制的條件下，硫酸鹽還原菌比產甲烷菌更具競爭優勢，有利于硫酸鹽還原菌的繁殖，因此反應器內的硫酸鹽還原菌多于產甲烷菌。
硫酸鹽還原相厭氧濾池不同濾層的細菌計數結果如圖3和表3所示。
從圖3可以看到，從下部到上部隨著高度的增加，發酵細菌和硫酸鹽還原細菌逐步減少，而產甲烷菌在中層的數量最多，上層次之，下層的數量最少。分析原因是：由于下層水中COD/SO42-比值較低以及較高濃度的SO42-不利于產甲烷菌的生長，使硫酸鹽還原菌有較強的競爭能力，因此下層的硫酸鹽還原菌占優勢，是產甲烷菌的4.09×109倍；隨著高度的上升，SO42-被大量地去除，中層水、上層水的COD/SO42-比值比下層水的要大，而有機物濃度還較高，改善了產甲烷菌的生長環境，使產甲烷菌的競爭能力增強，有利于產甲烷菌的生長繁殖，因此在中層、上層的產甲烷菌數量要多于下層。 4 顆粒污泥的結構和生物相 4.1材料與方法
顆粒污泥樣取自于硫酸鹽還原相厭氧濾池下層的灰白色顆粒污泥，制片之后，在掃描電子顯微鏡下觀察。掃描電子顯微鏡樣本制備過程基本為［3］：樣本的取材和固定→樣品脫水→臨界點干燥→金屬噴金→電鏡觀察→照相。
4.2試驗結果與討論
4.2.1顆粒污泥表面結構和生物相分布
試驗樣品在掃描電子顯微鏡1 500～10 000的倍數下放大觀察，照片如圖4～7所示。
由圖4可以看到，厭氧濾池中顆粒污泥表面凸凹不平，有起伏錯落的峰巒和低谷，這種山戀狀的表面，使微生物更有利于同基質接觸、吸附、降解和進行物質交換。還可以看到，表面上有許多直徑不等、形狀多樣的孔洞(圖4、6、7)，其中圖7顯示的另一個典型孔洞呈圓形，直徑為3～4 μm。有報道認為［4］，它們可能是釋放H2、CO2、CH4氣體和向內輸送營養的通道。圖4～6表明有許多絲狀菌攀扶在顆粒污泥表面上，它們由內向外或由外向內自由地穿入穿出，象一條條絨線把其他微生物纏繞在一起，而且可以看到許多弧狀菌、桿菌、梭狀菌和球菌成片地聚集生長。
 
 
由掃描電鏡的圖片可以說明以下情況：①顆粒污泥中微生物形態有球形、弧形、桿狀、梭狀及絲狀，包含了幾乎所有的基本細菌形態，這反映了顆粒污泥微生態系統的結構和功能較穩定。②顆粒污泥中的細菌顯示分裂不分離特點，造成這種現象的原因可能是：a.位阻效應，即顆粒污泥內部空間狹小、有限，細菌分裂后不能很好地分離；b.在顆粒污泥中生長速率較低，菌體含能水平較低，細胞喪失了鞭毛和運動性，從而無法脫離；c.自然選擇的結果，使微生物在受到水力沖刷的影響下，為適應環境，可能選擇一些相互粘聯的微生物，使之不被水流帶走。③細菌粘聯現象是顆粒污泥結構穩定的重要因素。許多桿菌形成的“假絲狀”細菌鏈將其他球菌、短桿菌、梭菌等形成的細菌團加以纏繞，并穿插到污泥縱深，起著類似“植物根系固定土壤”的作用，將整個顆粒污泥加以固定。
4.2.2厭氧反應器中顆粒化污泥的形成
結合運行條件和觀察的結果，分析影響厭氧污泥顆粒化的因素如下：
①試驗以葡萄糖為有機基質，它有利于污泥的顆粒化。據文獻報道［4］，在碳水化合物廢水處理中有較高的氫分壓，而高氫分壓易于促成污泥顆粒化。脂類廢水如含乙酸、丙酸、丁酸等的混合廢水處理時需極低的氫分壓，因而不易形成顆粒。
②一定的水力負荷和有機負荷。厭氧顆粒污泥形成只有在較高的水力負荷下，才能將小的顆粒污泥與絮狀污泥分離，有利于污泥的顆粒化。Hulshobb pot曾指出，污泥顆粒化的一個必要條件是污泥負荷在0.6 kgCOD/(kgVSS·d)以上，最小升流速率為1 m/d；方冶華認為在污泥顆粒化時，反應器進水COD濃度最好控制在2 000 mg/L左右；在顆粒生成后，水力負荷和有機負荷分別在0.4m3/(m2·h)和0.5kgCOD/(kgVSS·d)以上，可加快顆粒污泥的生成。本試驗是在水力負荷為0.04m3/(m2·h)、COD負荷為5kgCOD/(m3·d)時，形成了顆粒污泥。
③適當的微生物種群。由圖4～7可以看到，反應器內的污泥中存在著大量的絲狀菌，這些細菌往往可以形成長絲狀，纏聯交叉成網絡狀或捆束狀，這種結構有利于其他形狀的細菌被網絡在其中組成密集型微生物生態分布。而且，細菌在生命活動中形成和分泌多肽類物質、粘液物質或鞘狀物質，這些物質都有利于細菌間的粘附和膠聯，有利于顆粒化污泥的形成。 5 結 論 ①在間歇厭氧反應器中，發酵性細菌數量最多，硫酸鹽還原菌次之，產甲烷菌最少。計數結果與各反應器水質分析結果基本相符，說明COD/SO2-4是影響硫酸鹽還原菌與產甲烷菌對基質競爭的重要因素，投加鐵對抑制硫酸鹽還原菌作用不大。
②在UASB和復合式厭氧反應器中，發酵細菌量最多，硫酸鹽還原菌次之，產甲烷菌最少。復合式厭氧反應器上部的填料有利于截留硫酸鹽還原菌，因此，其硫酸鹽還原菌數量比UASB反應器約多出近3個數量級，而產甲烷菌數量約少1個數量級，這與水質分析結果(復合式厭氧反應器的硫酸鹽還原率高于UASB反應器，而COD去除率低于UASB反應器)是一致的。
③在硫酸鹽還原相厭氧濾池中，以硫酸鹽還原菌和發酵細菌為主，硫酸鹽還原菌數量最多，發酵性細菌次之，產甲烷菌最少。對反應器中不同高度的生物相分析表明，從下部到上部隨著高度的增加，發酵細菌和硫酸鹽還原細菌逐步減少，而產甲烷菌在中層的數量最多，上層次之，下層的數量最少。
④顆粒污泥的形成主要有以下原因：進水有機基質是葡萄糖；有合適的水力負荷和COD負荷［分別為0.04m3/(m2·h)和5kgCOD/(m3·d)］；反應器中存在著大量有利于污泥顆粒化的絲狀菌。 參考文獻：
［1］Beliaefe B,Mary J Y.The Most Probable Number Estimate and its Confidence Limits［J］.Wat Res,1993,27(5):799-805.
［2］閔航.厭氧微生物學［M］.杭州：浙江大學出版社，1993.
［3］俞毓馨.環境工程生物檢驗手冊［M］.北京：中國環境科學出版社，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.
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收稿日期：2000-04-03 | 
