【污水處理工藝】厭氧處理硫酸鹽有機(jī)廢水的微生物學(xué)
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1培養(yǎng)基和稀釋水的配制
試驗(yàn)所用的各類細(xì)菌的培養(yǎng)基配方如下：
①發(fā)酵細(xì)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(chǎn)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(fā)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(jì)數(shù)和觀察方法
微生物的計(jì)數(shù)采用三管最大可能數(shù)(MPN)法［1］。培養(yǎng)一定時(shí)間后(發(fā)酵細(xì)菌1 d，產(chǎn)甲烷細(xì)菌21 d，硫酸鹽還原菌7 d)觀察生長結(jié)果，判斷細(xì)菌生長陽性的依據(jù)如表1所示［2］。
表1 厭氧細(xì)菌生長陽性的判斷依據(jù) 細(xì)菌類群 生長陽性的主要判斷依據(jù)
發(fā)酵細(xì)菌 培養(yǎng)液混濁
產(chǎn)甲烷細(xì)菌 產(chǎn)生甲烷氣體
硫酸鹽還原菌 產(chǎn)生FeS黑色沉淀
2 試驗(yàn)結(jié)果
各反應(yīng)器的運(yùn)行情況見表2。
3.1間歇厭氧反應(yīng)器的生物相
3 討論
3.2 UASB和復(fù)合厭氧反應(yīng)器的生物相
圖1和表3表明，在4個(gè)間歇厭氧反應(yīng)器中都是發(fā)酵細(xì)菌數(shù)量最多，硫酸鹽還原菌次之，產(chǎn)甲烷菌最少。計(jì)數(shù)結(jié)果與各反應(yīng)器水質(zhì)分析結(jié)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(jìn)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(chǎn)甲烷菌具有熱力學(xué)上的優(yōu)勢，因此硫酸鹽還原菌生長繁殖得較好；采用以馴化產(chǎn)甲烷菌為主的馴化過程有利于產(chǎn)甲烷菌與硫酸鹽還原菌的競爭。當(dāng)有合適的COD/SO42-比值(≥2∶1)時(shí)，在同一個(gè)厭氧體系中硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌可建立良好的共生關(guān)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(yīng)器的硫酸鹽還原菌數(shù)量均比產(chǎn)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(zhì)。3＃反應(yīng)器中的硫酸鹽還原菌數(shù)量是產(chǎn)甲烷菌的136倍，可見其在反應(yīng)器中是占絕對優(yōu)勢，產(chǎn)甲烷菌受到抑制，故該反應(yīng)器的COD去除率特別低，而硫酸鹽還原率與4＃反應(yīng)器相仿(見表2)。
UASB和復(fù)合式厭氧反應(yīng)器的細(xì)菌計(jì)數(shù)結(jié)果如圖2和表3所示。
可以看到，2個(gè)反應(yīng)器中發(fā)酵細(xì)菌數(shù)量相同，但硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌卻相差很大。在UASB反應(yīng)器中，硫酸鹽還原菌比產(chǎn)甲烷菌大2個(gè)數(shù)量級；在復(fù)合式厭氧反應(yīng)器中，硫酸鹽還原菌比產(chǎn)甲烷菌大6個(gè)數(shù)量級，是UASB反應(yīng)器中硫酸鹽還原菌的600倍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，復(fù)合式厭氧反應(yīng)器的上部設(shè)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(shù)量較?。欢鳸ASB反應(yīng)器中，上部是三相分離區(qū)，沒有填料的截留作用，隨出水流失的硫酸鹽還原菌數(shù)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(fā)酵細(xì)菌為主，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量較少。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能有3個(gè)：①反應(yīng)器中的生態(tài)環(huán)境。硫酸鹽還原相中的pH值較低、硫化物濃度較高，不利于產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖，因此污泥中產(chǎn)甲烷菌生長受到抑制，數(shù)量最少，而硫酸鹽還原菌和發(fā)酵細(xì)菌則較適于在這種環(huán)境下生長，故其數(shù)量較多，并能順利完成其產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌的電子流情況表明，在負(fù)荷為4 kgCOD/(m3·d)和2 kgSO2-4/(m3·d)時(shí)，大部分有機(jī)物被硫酸鹽還原菌利用，進(jìn)行硫酸鹽還原反應(yīng)，少部分為產(chǎn)甲烷菌用于產(chǎn)甲烷。③硫酸鹽還原菌比產(chǎn)甲烷菌具有熱力學(xué)上的優(yōu)勢。當(dāng)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(chǎn)甲烷菌更具競爭優(yōu)勢，有利于硫酸鹽還原菌的繁殖，因此反應(yīng)器內(nèi)的硫酸鹽還原菌多于產(chǎn)甲烷菌。
硫酸鹽還原相厭氧濾池不同濾層的細(xì)菌計(jì)數(shù)結(jié)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(fā)酵細(xì)菌和硫酸鹽還原細(xì)菌逐步減少，而產(chǎn)甲烷菌在中層的數(shù)量最多，上層次之，下層的數(shù)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(chǎn)甲烷菌的生長，使硫酸鹽還原菌有較強(qiáng)的競爭能力，因此下層的硫酸鹽還原菌占優(yōu)勢，是產(chǎn)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(jī)物濃度還較高，改善了產(chǎn)甲烷菌的生長環(huán)境，使產(chǎn)甲烷菌的競爭能力增強(qiáng)，有利于產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖，因此在中層、上層的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量要多于下層。
4 顆粒污泥的結(jié)構(gòu)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(diǎn)干燥→金屬噴金→電鏡觀察→照相。
4.2試驗(yàn)結(jié)果與討論
4.2.1顆粒污泥表面結(jié)構(gòu)和生物相分布
試驗(yàn)樣品在掃描電子顯微鏡1 500～10 000的倍數(shù)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(zhì)接觸、吸附、降解和進(jìn)行物質(zhì)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(gè)典型孔洞呈圓形，直徑為3～4 μm。有報(bào)道認(rèn)為［4］，它們可能是釋放H2、CO2、CH4氣體和向內(nèi)輸送營養(yǎng)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(nèi)向外或由外向內(nèi)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(tài)有球形、弧形、桿狀、梭狀及絲狀，包含了幾乎所有的基本細(xì)菌形態(tài)，這反映了顆粒污泥微生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能較穩(wěn)定。②顆粒污泥中的細(xì)菌顯示分裂不分離特點(diǎn)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是：a.位阻效應(yīng)，即顆粒污泥內(nèi)部空間狹小、有限，細(xì)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(xì)胞喪失了鞭毛和運(yùn)動性，從而無法脫離；c.自然選擇的結(jié)果，使微生物在受到水力沖刷的影響下，為適應(yīng)環(huán)境，可能選擇一些相互粘聯(lián)的微生物，使之不被水流帶走。③細(xì)菌粘聯(lián)現(xiàn)象是顆粒污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素。許多桿菌形成的“假絲狀”細(xì)菌鏈將其他球菌、短桿菌、梭菌等形成的細(xì)菌團(tuán)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(gè)顆粒污泥加以固定。
4.2.2厭氧反應(yīng)器中顆?；勰嗟男纬?br />
結(jié)合運(yùn)行條件和觀察的結(jié)果，分析影響厭氧污泥顆?；囊蛩厝缦拢?br />
①試驗(yàn)以葡萄糖為有機(jī)基質(zhì)，它有利于污泥的顆?；?。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)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?；?。脂類廢水如含乙酸、丙酸、丁酸等的混合廢水處理時(shí)需極低的氫分壓，因而不易形成顆粒。
②一定的水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷。厭氧顆粒污泥形成只有在較高的水力負(fù)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?；ulshobb pot曾指出，污泥顆粒化的一個(gè)必要條件是污泥負(fù)荷在0.6 kgCOD/(kgVSS·d)以上，最小升流速率為1 m/d；方冶華認(rèn)為在污泥顆?；瘯r(shí)，反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度最好控制在2 000 mg/L左右；在顆粒生成后，水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)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(yàn)是在水力負(fù)荷為0.04m3/(m2·h)、COD負(fù)荷為5kgCOD/(m3·d)時(shí)，形成了顆粒污泥。
③適當(dāng)?shù)奈⑸锓N群。由圖4～7可以看到，反應(yīng)器內(nèi)的污泥中存在著大量的絲狀菌，這些細(xì)菌往往可以形成長絲狀，纏聯(lián)交叉成網(wǎng)絡(luò)狀或捆束狀，這種結(jié)構(gòu)有利于其他形狀的細(xì)菌被網(wǎng)絡(luò)在其中組成密集型微生物生態(tài)分布。而且，細(xì)菌在生命活動中形成和分泌多肽類物質(zhì)、粘液物質(zhì)或鞘狀物質(zhì)，這些物質(zhì)都有利于細(xì)菌間的粘附和膠聯(lián)，有利于顆?；勰嗟男纬?。
5 結(jié) 論
①在間歇厭氧反應(yīng)器中，發(fā)酵性細(xì)菌數(shù)量最多，硫酸鹽還原菌次之，產(chǎn)甲烷菌最少。計(jì)數(shù)結(jié)果與各反應(yīng)器水質(zhì)分析結(jié)果基本相符，說明COD/SO2-4是影響硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌對基質(zhì)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(fù)合式厭氧反應(yīng)器中，發(fā)酵細(xì)菌量最多，硫酸鹽還原菌次之，產(chǎn)甲烷菌最少。復(fù)合式厭氧反應(yīng)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(shù)量比UASB反應(yīng)器約多出近3個(gè)數(shù)量級，而產(chǎn)甲烷菌數(shù)量約少1個(gè)數(shù)量級，這與水質(zhì)分析結(jié)果(復(fù)合式厭氧反應(yīng)器的硫酸鹽還原率高于UASB反應(yīng)器，而COD去除率低于UASB反應(yīng)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(fā)酵細(xì)菌為主，硫酸鹽還原菌數(shù)量最多，發(fā)酵性細(xì)菌次之，產(chǎn)甲烷菌最少。對反應(yīng)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(fā)酵細(xì)菌和硫酸鹽還原細(xì)菌逐步減少，而產(chǎn)甲烷菌在中層的數(shù)量最多，上層次之，下層的數(shù)量最少。
④顆粒污泥的形成主要有以下原因：進(jìn)水有機(jī)基質(zhì)是葡萄糖；有合適的水力負(fù)荷和COD負(fù)荷［分別為0.04m3/(m2·h)和5kgCOD/(m3·d)］；反應(yīng)器中存在著大量有利于污泥顆?；慕z狀菌。
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