ABR中厭氧顆粒污泥的微生物學(xué)特性
ABR反應(yīng)器是一種新型的反應(yīng)器，其分割式的構(gòu)造使各隔室形成了各自固有形式的顆粒污泥，這是其高效穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[1]，因此了解顆粒污泥的微生態(tài)結(jié)構(gòu)對于顆粒污泥的培養(yǎng)具有指導(dǎo)意義。
1 材料和方法
1.1 試驗材料
以西安漢斯啤酒廠的厭氧消化污泥為接種污泥，采用淀粉合成廢水在有效容積為15.84Ｌ的ABR反應(yīng)器中培養(yǎng)厭氧顆粒污泥。ABR反應(yīng)器(見圖1)由4個隔室組成，在每個隔室的上流室內(nèi)設(shè)循環(huán)加熱管，用溫度控制器將反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在(33±1)℃。ABR反應(yīng)器的水力停留時間為24ｈ，進(jìn)水COD為2500mg/l。
1.2 分析項目及方法
取已運行了238d的ABR反應(yīng)器各隔室下部的厭氧顆粒污泥做試驗，其中表面菌絲采用掃描電鏡觀察;輔酶F420采用紫外分光光度法測定[2];比產(chǎn)甲烷活性采用史氏發(fā)酵法測定[2]。
2 結(jié)果與分析
2.1 各隔室顆粒污泥的微生物學(xué)特征
對各隔室污泥表面菌絲的電鏡掃描結(jié)果顯示，各隔室顆粒污泥中占優(yōu)勢的菌種并不一樣，1#隔室顆粒污泥的表面菌種以產(chǎn)酸菌為主，有桿狀、螺旋狀，菌體小，表面有粘液層，它們能將各類復(fù)雜有機質(zhì)水解成脂肪酸，屬于專性厭氧細(xì)菌;內(nèi)部則存在大量利用氫的產(chǎn)甲烷短桿菌(直徑約0.5μm，長約3μm)，它們從氧化H2的過程中獲得能量，屬專性厭氧微生物[3]。由于1#隔室中的氫濃度很高，所以它們在顆粒污泥內(nèi)部成為優(yōu)勢菌，并將大部分的COD轉(zhuǎn)化為甲烷。2#隔室的顆粒污泥中菌群多樣復(fù)雜(主要有球菌、桿菌和索氏甲烷菌)，沒有明顯占優(yōu)勢的菌群，這與2#隔室底物的多樣化相一致。在產(chǎn)甲烷過程中利用Ｈ2的產(chǎn)甲烷細(xì)菌生長得相當(dāng)迅速，1.5d就能形成比較完整的微生物種群;相反，利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌的生長較慢，如甲烷八疊球菌(Methanosarcina)形成完整的群落需要5d以上，而甲烷絲狀菌(Methanosaeta)只有在SRT>12d時才能開始生長[4]。由于ABR反應(yīng)器截留生物固體的能力很強，使得污泥齡較長，微生物種群豐富，這是反應(yīng)器耐沖擊負(fù)荷、處理效率高的內(nèi)在原因。3#隔室顆粒污泥中的菌群分布與2#的類似，也沒有明顯占優(yōu)勢的菌群，但索氏甲烷菌有增多的趨勢，主要是由于基質(zhì)濃度較低所致(大部分基質(zhì)在1#、2#隔室內(nèi)被降解)，而索氏甲烷菌在低基質(zhì)濃度中的增殖速率比其他類型細(xì)菌的快。在4#隔室的顆粒污泥中索氏甲烷菌成為優(yōu)勢菌。綜上所述，由于ABR各隔室內(nèi)的環(huán)境(pH、底物類型、底物濃度)不同，因而形成的微生物群落也不同。
2.2 在不同基質(zhì)中的產(chǎn)甲烷活性
分別采用葡萄糖、甲酸、乙酸、丙酸為基質(zhì)，測定各隔室顆粒污泥的最大比產(chǎn)甲烷活性，結(jié)果見表1。
表1 不同基質(zhì)下的最大比產(chǎn)甲烷活性ｍl/gd
表1 不同基質(zhì)下的最大比產(chǎn)甲烷活性ｍl/gd
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注: 無數(shù)值處表示活性極低。
為使厭氧處理系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定地運行，需創(chuàng)造適合于不同微生物種群生長的環(huán)境條件，使反應(yīng)過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及能量的流動順利進(jìn)行。Lettinga教授[5]提出了厭氧多段的思想(SMPA)，而ABR則完美地實現(xiàn)了SMPA工藝的思想要點，反應(yīng)器中不同隔室內(nèi)的厭氧微生物的種類分布呈現(xiàn)出良好的種群配合，每個隔室中均存在著適應(yīng)該隔室水質(zhì)的優(yōu)勢微生物種群，底物沿隔室逐級被降解，同時各隔室底物的種類及濃度又對隔室內(nèi)的微生物菌群起到了選擇作用，于各隔室形成性能穩(wěn)定、種群配合良好的微生物鏈，保證了運行工況穩(wěn)定，提高了處理效果[6]。從表1可以看出，1#隔室中分解丙酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌較多。由于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌只有與利用氫的產(chǎn)甲烷菌共同培養(yǎng)才能生長，因此可推知在1#隔室中觀察到的產(chǎn)甲烷短桿菌是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌的共生體，大量產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的存在為ABR系統(tǒng)的穩(wěn)定運行創(chuàng)造了有利條件。2#、3#隔室的顆粒污泥在葡萄糖和乙酸中的產(chǎn)甲烷活性較高，說明顆粒污泥中以利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌為主。4#隔室的污泥利用甲酸的產(chǎn)甲烷活性很低，主要原因是該隔室內(nèi)的底物主要為乙酸、丙酸。
2.3 輔酶F420含量的測定
從各隔室污泥輔酶F420含量的測定結(jié)果(見表2)可知，沿各隔室F420的含量逐漸升高，這與產(chǎn)甲烷活性的變化趨勢相同，4#隔室顆粒污泥的輔酶F420含量明顯高于1#隔室，主要是由于1#隔室的菌群以產(chǎn)酸菌為主，而4#隔室的以產(chǎn)甲烷菌為主，可見F420能反映顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。
表2 輔酶F420的含量μg/gd
表2 輔酶F420的含量μg/gd
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3 結(jié)語
① ABR各隔室不同的環(huán)境(pH、底物類型及濃度)形成了不同的微生物群落，1#隔室顆粒污泥表面的優(yōu)勢菌是產(chǎn)酸菌，內(nèi)部的優(yōu)勢菌是利用Ｈ2的產(chǎn)甲烷菌，2#、3#隔室的顆粒污泥中沒有明顯的優(yōu)勢菌，菌群多樣復(fù)雜，4#隔室的顆粒污泥中的優(yōu)勢菌是索氏甲烷菌。
② ABR各隔室顆粒污泥利用葡萄糖、甲酸、乙酸和丙酸的產(chǎn)甲烷活性不同，說明各隔室顆粒污泥的微生物組成不同，前面以產(chǎn)酸菌為主，后面以產(chǎn)甲烷菌為主。
③ ABR反應(yīng)器中顆粒污泥的輔酶F420沿隔室升高，與產(chǎn)甲烷活性的變化趨勢一致，即F420能反映顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。
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