厭氧處理硫酸鹽有機廢水的微生物學(xué)

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(lèi)細菌的培養基配方如下：
　　
①發(fā)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(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微生物的計數和觀(guān)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(shí)間后(發(fā)酵細菌1 d，產(chǎn)甲烷細菌21 d，硫酸鹽還原菌7 d)觀(guān)察生長(cháng)結果，判斷細菌生長(cháng)陽(yáng)性的依據如表1所示［2］。

表1　厭氧細菌生長(cháng)陽(yáng)性的判斷依據 細菌類(lèi)群 生長(cháng)陽(yáng)性的主要判斷依據
發(fā)酵細菌 培養液混濁
產(chǎn)甲烷細菌 產(chǎn)生甲烷氣體
硫酸鹽還原菌 產(chǎn)生FeS黑色沉淀

2　試驗結果

各反應器的運行情況見(jiàn)表2。

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(gè)間歇厭氧反應器中都是發(fā)酵細菌數量最多，硫酸鹽還原菌次之，產(chǎn)甲烷菌最少。計數結果與各反應器水質(zhì)分析結果基本相符，說(shuō)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(cháng)繁殖得較好；采用以馴化產(chǎn)甲烷菌為主的馴化過(guò)程有利于產(chǎn)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(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(jiàn)表2中4＃)，COD去除率與SO42-還原率均較高(見(jiàn)表2)。1＃、２＃反應器的硫酸鹽還原菌數量均比產(chǎn)甲烷菌高，但其硫酸鹽還原率卻很低，可見(jiàn)低COD/SO42-(1∶1)不利于硫酸鹽還原菌競爭基質(zhì)。3＃反應器中的硫酸鹽還原菌數量是產(chǎn)甲烷菌的136倍，可見(jiàn)其在反應器中是占絕對優(yōu)勢，產(chǎn)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(jiàn)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(gè)反應器中發(fā)酵細菌數量相同，但硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌卻相差很大。在UASB反應器中，硫酸鹽還原菌比產(chǎn)甲烷菌大2個(gè)數量級；在復合式厭氧反應器中，硫酸鹽還原菌比產(chǎn)甲烷菌大6個(gè)數量級，是UASB反應器中硫酸鹽還原菌的600倍。產(chǎn)生這種現象的原因與反應器的結構有關(guān)，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��；而UASB反應器中，上部是三相分離區，沒(méi)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(fā)酵細菌為主，產(chǎn)甲烷菌的數量較少。產(chǎn)生這種現象的主要原因可能有3個(gè)：①反應器中的生態(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(cháng)繁殖，因此污泥中產(chǎn)甲烷菌生長(cháng)受到抑制，數量最少，而硫酸鹽還原菌和發(fā)酵細菌則較適于在這種環(huán)境下生長(cháng)，故其數量較多，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，在負荷為4 kgCOD/(m3·d)和2 kgSO2-4/(m3·d)時(shí)，大部分有機物被硫酸鹽還原菌利用，進(jìn)行硫酸鹽還原反應，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，因此反應器內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(zhù)高度的增加，發(fā)酵細菌和硫酸鹽還原細菌逐步減少，而產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌的生長(cháng)，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(yōu)勢，是產(chǎn)甲烷菌的4.09×109倍；隨著(zhù)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(chǎn)甲烷菌的生長(cháng)環(huán)境，使產(chǎn)甲烷菌的競爭能力增強，有利于產(chǎn)甲烷菌的生長(cháng)繁殖，因此在中層、上層的產(chǎn)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(guān)察。掃描電子顯微鏡樣本制備過(guò)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?lài)娊稹�電鏡觀(guān)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(guān)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。有報道認為［4］，它們可能是釋放H2、CO2、CH4氣體和向內輸送營(yíng)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(xiàn)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(cháng)。

由掃描電鏡的圖片可以說(shuō)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菌形態(tài)，這反映了顆粒污泥微生態(tài)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(diǎn)，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(cháng)速率較低，菌體含能水平較低，細胞喪失了鞭毛和運動(dòng)性，從而無(wú)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(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細菌粘聯(lián)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(zhù)類(lèi)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厭氧反應器中顆�；�污泥的形成
　　
結合運行條件和觀(guān)察的結果，分析影響厭氧污泥顆�；�的因素如下：
　　
①試驗以葡萄糖為有機基質(zhì)，它有利于污泥的顆�；�。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�；�。脂類(lèi)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�；�。Hulshobb pot曾指出，污泥顆�；�的一個(gè)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�；瘯r(shí)，反應器進(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(shí)，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(zhù)大量的絲狀菌，這些細菌往往可以形成長(cháng)絲狀，纏聯(lián)交叉成網(wǎng)絡(luò )狀或捆束狀，這種結構有利于其他形狀的細菌被網(wǎng)絡(luò )在其中組成密集型微生物生態(tài)分布。而且，細菌在生命活動(dòng)中形成和分泌多肽類(lèi)物質(zhì)、粘液物質(zhì)或鞘狀物質(zhì)，這些物質(zhì)都有利于細菌間的粘附和膠聯(lián)，有利于顆�；�污泥的形成。

5　結　論

①在間歇厭氧反應器中，發(fā)酵性細菌數量最多，硫酸鹽還原菌次之，產(chǎn)甲烷菌最少。計數結果與各反應器水質(zhì)分析結果基本相符，說(shuō)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和復合式厭氧反應器中，發(fā)酵細菌量最多，硫酸鹽還原菌次之，產(chǎn)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(gè)數量級，而產(chǎn)甲烷菌數量約少1個(gè)數量級，這與水質(zhì)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(fā)酵細菌為主，硫酸鹽還原菌數量最多，發(fā)酵性細菌次之，產(chǎn)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(zhù)高度的增加，發(fā)酵細菌和硫酸鹽還原細菌逐步減少，而產(chǎn)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(jìn)水有機基質(zhì)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(zhù)大量有利于污泥顆�；�的絲狀菌。