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厌氧颗粒污泥形成机理
厌氧颗粒污泥及其形成机理
郭晓磊 胡勇有 高孔荣
摘 要：
厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体，其良好的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床反响器成功的关键。
颗粒污泥的化学组成和微生物相对其构造和维持起着重要作用。
颗粒化过程是一个多阶段过程，取决于废水组成、操作条件等因素。
综述了近年来厌氧颗粒污泥及其形成机理的研究进展，容包括厌氧颗粒污泥的根本特性和微生物相、厌氧颗粒污泥构造及其颗粒化过程。
关键词：
厌氧颗粒污泥 微生物相 构造 颗粒化过程
CharactersandMechanismofFormationofAnaerobicGranularSludge
GuoXiaoleietal
Abstract：
Anaerobicgranularsludgeareself-immobilizedconsortiaofmethanogens,syntrophicacetogensandhydrolyticfermentativebacteria.Thegoodsedimentationandmethanogenicactivityofgranulesarekeyfactorsforanup-flowanaerobicsludgeblanketreactor.Thechemicalandmicrobiologicalpositionsofgranulesareofsignificanceintheformationandthemaintenanceofgranulesstructure.Granulationisamulti-phaseprocess,dependingonfactorssuchaswastewaterposition,operatingconditionetc..Thispaperisareviewofrecetresearchadvanceonthecharactersandmechanismofformationofanaerobicgranularsludge,concerningthefundamentalcharaerobic,themicrobiologicalposition,thestructureandthegranulationprocessofanaerobicgranularsludge.▲
上流式厌氧污泥床（UASB）作为一种高效厌氧生物反响器，在世界围被大量应用并且运转非常成功。
其最大特点就是能够形成沉降性能良好，产甲烷活性高的颗粒污泥。
厌氧颗粒污泥的形成使UASB中有较高的生物相，从而确保厌氧生化过程稳定高效地运行。
迄今为止，许多研究者对厌氧颗粒污泥的形成进展了大量研究，从不同角度提出了不少机制、学说。
本文就目前国外对厌氧颗粒污泥性质、构造及其形成机理的研究作一综述，为进一步研究提供参考。
1 厌氧颗粒污泥的根本特性1.1 物理特性 厌氧颗粒污泥的形状大多数具有相对规那么的球形或椭球形。
成熟的厌氧颗粒污泥（简称颗粒污泥）外表边界清晰，直径变化围为0.14～5mm，最大直径可达7mm［1］。
颗粒污泥的颜色通常是黑色或灰色。
但贺延龄和Kosaric曾观察到白色颗粒污泥［1～2］。
颗粒污泥的颜色取决于处理条件，特别是与Fe、Ni、Co等金属的硫化物有关。
Kosaric等发现当颗粒污泥中的S/Fe值比拟低时，颗粒呈黑色［2］。
颗粒污泥的密度约在1030～1080kg/m3之间。
密度与颗粒直径之间的关系尚未能完全确定，一般认为污泥的密度随直径的增大而降低。
用扫描电镜观察颗粒污泥外表，经常可以发现许多孔隙和洞穴，这些孔隙和洞穴被认为是基质传递的通道，气体也可经此输送出去［3～4］。
直径较大的颗粒污泥往往有一个空腔［2］，这是由于基质缺乏而引起细胞自溶造成的，大而空的颗粒污泥容易被水流冲出或被水流剪切成碎片，成为新生颗粒污泥的核［5］。
颗粒污泥的孔隙率在40%～80%之间，小颗粒污泥孔隙率高而大颗粒污泥孔隙率低，因此小颗粒污泥具有更强的生命力和相对高的产甲烷活性［1］。
颗粒污泥有良好的沉降性能，Schmidt等认为其沉降速度围为18～100m/h，典型值在18～50m/h之间。
根据沉降速率可将颗粒污泥分为三类：
第一种，沉降性能不好，18～20m/h；第二种，沉降性能满意，18～50m/h；第三种，沉降性能很好，50～100m/h。
后两种属于良好的污泥［6］。
秀山在处理豆制品废水时得到了79～180m/h沉降速度的颗粒污泥［7］。
1.2 化学特性 颗粒污泥的干重（TSS）是挥发性悬浮物（VSS）与灰分（ASH）之和。
VSS主要由细胞和胞外有机物组成，通常情况下VSS占污泥总量的比例是70%～90%［1，8，9］。
Lettinga给出的围为30%～90%，其下限30%是在高浓度Ca2+存在下取得的。
Ross在其研究中发现含VSS约90%的颗粒污泥中，有机物中粗蛋白占11.0%～12.5%，碳水化合物占10%～20%［11］。
颗粒污泥中一般含C40.5%，H约7%，N约10%左右［8］。
1.2.1 无机组分 颗粒污泥中的无机灰分含量因生长基质的不同而有较大的差异，其围值为8%～66%［5，6，8，12］。
一般中温条件下复杂基质培养的颗粒污泥的灰分比单一基质培养的低；高温下培养的污泥灰分比中温培养高1.5倍。
研究说明，灰分的增加将提高颗粒污泥的密度，过高的灰分会导致污泥孔隙率的降低，影响基质在颗粒污泥中的扩散［6］。
颗粒污泥中Fe、Ca、Si、P、S均为大量元素［3，15］，Ca、Mg、Fe和其他一些金属离子可能以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐或硫化物的形式存在于颗粒污泥中［1］。
基质中少量Ca2+对颗粒化过程的促进作用已达成共识，一般认为：
（1）Ca2+可中和细菌外表的负电荷，从而使细菌凝聚［14］；
（2）颗粒污泥中Ca2+可与CO2生成CaCO3晶体，增加污泥的比重，改善颗粒污泥的沉降性能［10］；（3）Ca2+能稳定细胞外分泌出的多糖体，形成藻蛋白酸盐凝胶，粘结各种生物体，同时还作为细胞外表之间的连接体［17］。
适宜的Ca2+浓度为80～150mg/L［8，14，15］；过高的Ca2+会使污泥的活性下降，但Lettinga等发现Ca2+在600mg/L时，颗粒污泥对COD的去除率高达98%［16］。
Dolfing等报道过灰分的30%为FeS，FeS可能沉淀到微亲脂性的细菌外表；据认为FeS较高的外表力和细菌外表的亲脂性可起到稳定细菌团粒的作用［1］。
1.2.2 胞外多聚物（ExtracellularPolymers）
借助扫描和透射电镜观察颗粒污泥，经常发现一些细菌外表分泌有一层薄薄的粘液层，即胞外多聚物（简称ECP）。
厌氧污泥与好氧污泥分泌的ECP成分有很大差异，厌氧污泥的ECP以胞外聚多糖（ExtracellularPolysaccharides，简称EPS）和蛋白质为主，好氧污泥的分泌物以碳水化合物为主，但好氧污泥ECP产量约为厌氧污泥的4～7倍。
颗粒污泥中的许多厌氧细菌都可产生ECP。
Veiga等发现甲酸甲烷杆菌和马氏甲烷八叠球菌提供了颗粒污泥的EPS中各种糖组分，前者的作用似乎更大些［18］。
一般认为，颗粒污泥的形成与ECP的产生有密切的联系。
Morgan等认为ECP的组分可以改变细菌絮体的外表特性和颗粒污泥的物理特性，废水中的细菌一般带负电荷，相互会产生静电排斥力，ECP的产生可以改变细菌的外表电荷和能量，从而导致细菌凝聚；但过多的ECP反而会引起凝聚恶化［31］。
ECP可在共生细菌间提供各种化学键，如多糖—蛋白质特殊连接键，氢键、极性键等［19］。
Quarmby的研究证明ECP的组分对颗粒污泥的构造稳定性有很大影响，ECP中碳水化合物与蛋白质含量的比（C/N）越大，颗粒的稳定性越差［9］。
颗粒污泥中ECP的含量，文献报道在0.6%～20%VSS围。
不同培养条件和方法培养出的颗粒污泥中的ECP的组成和含量是不同的，而ECP的不同提取方法和分析方法使得各种颗粒污泥中进展ECP量和成分的比拟显得十分困难。
一般认为：
ECP的主要成分是蛋白质和聚多糖，还有类脂质、核酸等物质；ECP中蛋白质与聚多糖的数量比多在2∶1到6∶1之间［6，9］。
聚多糖的主要单糖成分有：
鼠梨糖、岩藻糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、氨基葡糖、半乳糖胺、甘露糖胺，有时也能发现核糖成分。
表1为Veiga等人提供的聚多糖的单糖［18］。
表1 颗粒污泥、甲酸甲烷杆菌、马氏甲烷八叠球菌分泌的EPS中单糖组分［18］
单糖或氨基糖/%
颗 粒 污 泥（挥发性有机酸）
甲酸甲烷杆菌
马氏甲烷八叠球菌（乙酸）
甲酸
H2-CO2
鼠梨糖
15.0
29.0
25.8
0.6
岩藻糖
10.7
0
0
0
核 糖
痕量
0
0
0.6
甘露糖
12.9
29.0
25.0
痕量
半乳糖
16.1
15.6
17.7
32
葡萄糖
19.3
9.1
12.9
10.4
氨基葡糖
8.6
痕量
痕量
56.5
半乳糖胺+
甘露糖胺
6.4
17.3
18.5
痕量
ECP的产生量和颗粒污泥的生长条件有关。
高温下，颗粒污泥的ECP浓度小于中温条件，但ECP的根本组成一样［18］。
Veiga等人的研究说明在低磷和低氮条件下ECP的产生量有较大提高，EPS的产生量分别提高68.5%和74.1%；参加过量的Mg2+，ECP产生量没有明显改变，但EPS的产生量却提高了25%［18］。
Bull等人也证明了C/N值的提高会刺激EPS的产生，从而增进细菌与固体外表的粘连［20］。
2 厌氧颗粒污泥的微生物相 颗粒污泥本质上是多种微生物的聚集体，主要由厌氧消化微生物组成。
颗粒污泥中参与分解复杂有机物、生成甲烷的厌氧细菌可分为三类：
第一类：
水解发酵菌，对有机物进展最初的分解，生成有机酸和酒精；第二类：
产乙酸菌，对有机酸和酒精进一步分解利用；第三类：
产甲烷菌，将H2、CO2、乙酸以及其它一些简单化合物转化成为甲烷［3，21］。
水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷细菌在颗粒污泥生长、繁殖，各种细菌互营互生，菌丝交织相互结合形成复杂的菌群构造［3，22］，增加了微生物组成鉴定的复杂性。
检验颗粒污泥微生物相的方法有电镜技术、限制性培养基法、MPN（MostProbableNumber）法和免疫探针法等。
限于条件，国的研究大多采用电镜技术（TEM或SEM），对细菌的鉴定较为粗糙。
免疫探针法能较为准确地鉴定细菌种类及其分布，国外研究人员运用较多。
目前，对颗粒污泥中微生物相的研究大局部集中在产甲烷菌上，对其他两类细菌的研究不多。
研究发现，72%的甲烷是通过乙酸转化的，颗粒污泥中已发现的产甲烷菌中，甲烷髦毛菌和甲烷八叠球菌是唯一两种能代乙酸的产甲烷菌。
甲烷髦毛菌只能在乙酸基质中生长。
甲烷八叠球菌可以利用的基质较多，有乙酸、甲醇、甲胺，有时也可利用H2和CO2；甲烷八叠球菌以甲醇为基质比以其他有机物为基质生长速度快。
在乙酸基质中，甲烷八叠球菌的比增长速度（μmax0.3d-1）高于甲烷髦毛菌（μmax0.1d-1），但其对基质的亲和力较低，半饱和常数Ks＝3～5mmol/L，甲烷髦毛菌的基质亲和力强，半饱和常数Ks＝0.5～0.7mmol/L［4，23，24，38］。
因此，当乙酸浓度较低时，甲烷髦毛菌占优势；当乙酸浓度较高时，甲烷八叠球菌占优势。
这与试验观察相符。
在绝大多数颗粒污泥中，都能发现甲烷髦毛菌，其在颗粒污泥形成过程中的重要地位为许多研究者认可：
甲烷髦毛菌的菌体提供了将其他细菌相连接的网络构造。
观察到的甲烷髦毛菌有两种形态：
一种是多个杆状细胞组成的丝束状［22］，另一种是四、五个细胞组成的杆状菌［6］。
甲烷八叠球菌有较强的成团能力，在中温污泥中较少能观察到，而在高温污泥和高乙酸基质中常见到其踪影［4，6，24，28］。
玉民在处理啤酒废水时，就得到了以甲烷八叠球菌为主的颗粒污泥［4］。
氢营养型产甲烷菌是颗粒污泥中另一种重要的产甲烷菌，包括甲烷短杆菌（MethanobrevibacterSP）、甲烷杆菌（MethanobacteriamSP）、甲烷球菌（MethanococcousSP）、甲烷螺菌（MethanospirillumSP）等。
利用免疫探针技术发现：
甲酸甲烷杆菌（Methanobacteriumformiacum）、嗜树木甲烷短杆菌（Methanobrevibcterarboriphilus）嗜热自养甲烷杆菌（Methanobacteriumthermoautotrophicum）是中温和高温颗粒污泥中的主要氢营养型甲烷菌［24，26］。
其他一些伴生菌也经常被观察到，如甲醇降解菌（PelobacterCarbinolicus）、丙酸降解菌沃丽尼伴生杆菌（SyntrophobacterWolinii）、丁酸降解菌沃尔夫伴生单胞菌（SyntrophomonasWolfei）、硫降解菌（DesulfovibrioSP和DesulfobulbusSP）［23，25，27，28，40］。
3 厌氧颗粒污泥的构造 颗粒污泥的构造是指各种细菌在颗粒污泥中的分布状况。
一些学者认为不同的互营细菌是随机地在颗粒污泥中生长，并不存在明显的构造层次性［3，27，29，39］。
Grotenhutis等人的研究发现，生长在甲醇和糖类废水中的颗粒污泥中并未有细菌的有序分布，丁酸基质下生长的颗粒污泥中存在两类细菌族，一类是氏甲烷髦毛菌（MethanosaetaSoehngenii），另一类由嗜树木甲烷短杆菌和一种丙酸氧化菌组成［27］。
一章等人对人工配水，屠宰废水和丙酮丁醇废水形成的颗粒污泥进展了观察，虽然各种形态的细菌处于有序的网状排列，但各种微生物区系多呈现随机性分布，未观察到颗粒层次之分［3］。
另一些学者那么证实细菌在颗粒污泥中的分布有较清晰的层次性［9，21，22，25，30］，并提出了一些构造模型。
Harade等人在糖类废水中培养出的颗粒污泥有比拟明显的层次分布，外层主要是水解菌和产酸菌，核的优势菌为甲烷髦毛菌［32］。
Macleod等给出了一个较为典型的颗粒污泥构造模型：
甲烷髦毛菌构成颗粒污泥的核，在颗粒化过程中提供了很好的网络构造。
甲烷髦毛菌所需的乙酸是由产氢产乙酸菌等产乙酸菌提供，丙酸丁酸分解物中的高浓度H2促进了氢营养型细菌的生长，产氢产乙酸菌和氢营养型细菌构成颗粒污泥的第二层。
颗粒污泥的最外层由产酸菌和氢营养型细菌构成。
模型如图1所示［21］。
图1Macleod的构造模型
Macleod的模型为许多人证实，如Chui等人的试验［33］。
Quarmby和Forster处理速溶咖啡废水时也得到了多层构造的颗粒污泥，他们观察到的最多层到达了4层［9］。
竺建荣等根据对颗粒污泥的观察，也提出了一个类似的构造模型，不同的是他们发现了颗粒污泥外表细菌分布的“区位化〞，即不同细菌以成簇的方式集中存在于一定的区域，相互之间可能发生种间氢转移［22］。
Thaveesri等［30］从热力学的角度研究了颗粒污泥的构造。
也有研究者从细菌细胞与水的接触角度开展研究，证明大多数产甲烷菌和产乙酸菌外表呈疏水性（低外表能、接触角大于45°），大多数产酸菌为亲水性（高外表能、接触角大于45°）［34］。
Thaveesri发现基质外表力在50～55mN/m之间时，亲水性细菌和疏水性细菌都难以形成颗粒污泥；在糖类等外表力小于50mN/m的基质中，形成的颗粒污泥外层为亲水性产酸菌，层为疏水性产甲烷菌；而在蛋白质丰富的基质中，由于外表力大于55mN/m，疏水性细菌（如产甲烷菌）贯穿于颗粒污泥，占据优势地位，其构造如图2所示。
低外表力环境下形成的亲水性外表的颗粒污泥稳定性更高一些，而疏水性外表的颗粒污泥与CH4等气体有强烈的粘接作用，易被气泡携带冲洗出反响器；因此，在蛋白质丰富的基质中，冲洗出的污泥量更大，而参与降解的生物量更小［30］。
图2 不同外表力环境下颗粒污泥构造［30］
颗粒化过程本身的复杂性决定了颗粒污泥构造的复杂性，生长基质、操作条件、反响器中的流体流动状况等都会影响颗粒污泥的构造。
如Quarmby和Forster在处理马铃薯废水时得到了三层构造的颗粒污泥，在小麦淀粉和造纸废水中的颗粒却呈“蜂窝〞构造，没有出现层次构造［12］。
研究者所采取的研究方法、观察手段的不同，也是导致观察结果不同的重要原因。
4 颗粒化过程 颗粒化过程是单一分散厌氧微生物聚集生长成颗粒污泥的过程，是一个复杂而且持续时间较长的过程，影响因素很多。
颗粒污泥的形成过程由多个阶段组成［3，6，13，35］：
（1）细菌与基体（可以是细菌，也可以是有机、无机材料）的吸引粘连过程；
（2）微生物聚集体的形成；（3）成熟污泥的形成。
细菌与基体的吸引粘连过程，是颗粒污泥形成的开场阶段，也是决定污泥构造的重要阶段。
一般来说，细菌与基体之间的排斥力阻碍着两者的接近，但离子强度的改变，Ca2+、Mg2+的电荷中和作用以及ECP的作用可以降低排斥位能，促进细菌向基体接近。
细菌与基体接近后，通过细菌的附属物如甲烷髦毛菌的菌丝、或通过多聚物的粘接，将细菌粘接到基体上。
随着粘连到基体上的细菌数目的增多，形成多种微生物群系互营发生的聚集体，即具有初步代作用的微污泥体。
微生物聚集体在适宜的条件下，各种微生物竞相繁殖，最终形成沉降性能良好、产甲烷活性高的颗粒污泥。
目前大多数学说着眼于颗粒化第一阶段，对第二、三阶段的研究工作那么不多见。
针对基体的不同，研究者提出了不同的颗粒污泥形成机制。
Macleod等根据所观察到的颗粒污泥的层次分布情况，认为甲烷髦毛菌相互聚集在一起形成具有框架构造的核，从而使产乙酸菌以及氢营养菌附着其上，最后是发酵性细菌（产酸菌及其他氢营养菌）在外围生长，由此形成颗粒污泥［21］。
吴唯民等人在脂肪酸降解颗粒污泥的形成过程中发现，甲酸甲烷杆菌先粘连在马氏甲烷八叠球菌上形成聚集体，而甲酸甲烷杆菌、甲烷髦毛菌、丁酸降解菌构成互营酸—丁酸降解聚集体，最后两类聚集体通过甲酸甲烷杆菌的连接形成颗粒污泥，形成过程如图3所示［28］。
图3 有机挥发酸颗粒污泥形成模型1马氏甲烷八叠球菌 2甲酸甲烷杆菌 3甲酸甲烷杆菌与丁酸降解菌结合体 4丙酸降解菌体、甲酸甲烷杆菌与甲烷髦毛菌结合体5甲烷髦毛菌 6含马氏甲烷八叠球菌和甲酸甲烷杆菌的微生物聚集体 7丙酸—丁酸降解聚集体 8有机挥发酸降解颗粒污泥
二次核学说认为营养缺乏的衰弱颗粒污泥，在水流剪切力作用下，破裂成碎片，污泥碎片可作为新核，重新形成颗粒污泥［3，5，19，36］。
Grotenhuis及其合作者分别用上下浓度基质培养颗粒污泥，发现前者形成颗粒粒径较大，而后者的粒径较小，据此提出了二次核形成的模型，如图4所示［5］。
其他研究者如虹、Beeftink等也提出过类似的二次核形成模型［36，37］。
二次核学说较好地说明了参加少量颗粒污泥可加速颗粒化进程的现象，已为大多数研究者承受。
图4 颗粒污泥形成二次核的可能途径a、b颗粒中基质充足 c颗粒中心基质被消耗 d颗粒生长，消耗区域增大，颗粒中心强度下降 e颗粒被水流剪切破裂
5 结语 综上所述，不同培养条件下形成的颗粒污泥，在形态特性、微生物相组成、污泥构造上有很大的差异，研究者提出了不同的颗粒污泥构造模型和形成机制，这说明了颗粒化过程的复杂性。
尽管分歧很大，对颗粒化过程仍取得了一些共识，如Ca2+、Mg2+等金属离子和ECP的促进作用；ECP对颗粒构造的维持作用；甲烷髦毛菌的网络框架作用等。
目前的研究工作对颗粒污泥的微生物相注重过多，尤其是对甲烷菌作用的研究更多，而象Thaveesri那样从热力学角度的研究不多见。
事实上Thaveesri的研究较好地解释了为什么在UASB多数颗粒污泥外表为产酸菌，而产甲烷菌多在层，这无疑为我们的研究工作提供了一条新思路。
一些新技术如免疫探针技术的应用已使我们更深入地了解颗粒污泥的构造特征。
相信随着研究方法的不断丰富，检测手段的不断提高，人们对颗粒污泥的认识将更加深入。
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基金工程：
省自然科学基金资助工程（970532）。
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