ABR中厌氧颗粒污泥的微生物学特性

　　ABR反应器是一种新型的反应器，其分割式的构造使各隔室形成了各自固有形式的颗粒污泥，这是其高效稳定运行的关键^[1]，因此了解颗粒污泥的微生态结构对于颗粒污泥的培养具有指导意义。

　　1 材料和方法

　　1.1 试验材料

　　以西安汉斯啤酒厂的厌氧消化污泥为接种污泥，采用淀粉合成废水在有效容积为15.84Ｌ的ABR反应器中培养厌氧颗粒污泥。ABR反应器(见图1)由4个隔室组成，在每个隔室的上流室内设循环加热管，用温度控制器将反应器内温度控制在(33±1)℃。ABR反应器的水力停留时间为24ｈ，进水COD为2500mg/l。

　　图1　试验装置示意图

　　1.2 分析项目及方法

　　取已运行了238d的ABR反应器各隔室下部的厌氧颗粒污泥做试验，其中表面菌丝采用扫描电镜观察;辅酶F420采用紫外分光光度法测定[2];比产甲烷活性采用史氏发酵法测定[2]。

　　2 结果与分析

　　2.1 各隔室颗粒污泥的微生物学特征

　　对各隔室污泥表面菌丝的电镜扫描结果显示，各隔室颗粒污泥中占优势的菌种并不一样，1#隔室颗粒污泥的表面菌种以产酸菌为主，有杆状、螺旋状，菌体小，表面有粘液层，它们能将各类复杂有机质水解成脂肪酸，属于专性厌氧细菌;内部则存在大量利用氢的产甲烷短杆菌(直径约0.5μm，长约3μm)，它们从氧化H₂的过程中获得能量，属专性厌氧微生物^[3]。由于1#隔室中的氢浓度很高，所以它们在颗粒污泥内部成为优势菌，并将大部分的COD转化为甲烷。2#隔室的颗粒污泥中菌群多样复杂(主要有球菌、杆菌和索氏甲烷菌)，没有明显占优势的菌群，这与2#隔室底物的多样化相一致。在产甲烷过程中利用Ｈ₂的产甲烷细菌生长得相当迅速，1.5d就能形成比较完整的微生物种群;相反，利用乙酸的产甲烷菌的生长较慢，如甲烷八叠球菌(Methanosarcina)形成完整的群落需要5d以上，而甲烷丝状菌(Methanosaeta)只有在SRT>12d时才能开始生长^[4]。由于ABR反应器截留生物固体的能力很强，使得污泥龄较长，微生物种群丰富，这是反应器耐冲击负荷、处理效率高的内在原因。3#隔室颗粒污泥中的菌群分布与2#的类似，也没有明显占优势的菌群，但索氏甲烷菌有增多的趋势，主要是由于基质浓度较低所致(大部分基质在1#、2#隔室内被降解)，而索氏甲烷菌在低基质浓度中的增殖速率比其他类型细菌的快。在4#隔室的颗粒污泥中索氏甲烷菌成为优势菌。综上所述，由于ABR各隔室内的环境(pH、底物类型、底物浓度)不同，因而形成的微生物群落也不同。

　　2.2 在不同基质中的产甲烷活性

　　分别采用葡萄糖、甲酸、乙酸、丙酸为基质，测定各隔室颗粒污泥的最大比产甲烷活性，结果见表1。

　　表1　不同基质下的最大比产甲烷活性ｍl/gd

　　注:　无数值处表示活性极低。

　　为使厌氧处理系统能够持续稳定地运行，需创造适合于不同微生物种群生长的环境条件，使反应过程中物质的转化及能量的流动顺利进行。Lettinga教授^[5]提出了厌氧多段的思想(SMPA)，而ABR则完美地实现了SMPA工艺的思想要点，反应器中不同隔室内的厌氧微生物的种类分布呈现出良好的种群配合，每个隔室中均存在着适应该隔室水质的优势微生物种群，底物沿隔室逐级被降解，同时各隔室底物的种类及浓度又对隔室内的微生物菌群起到了选择作用，于各隔室形成性能稳定、种群配合良好的微生物链，保证了运行工况稳定，提高了处理效果^[6]。从表1可以看出，1#隔室中分解丙酸的产氢产乙酸菌较多。由于产氢产乙酸菌只有与利用氢的产甲烷菌共同培养才能生长，因此可推知在1#隔室中观察到的产甲烷短杆菌是产氢产乙酸菌和产甲烷菌的共生体，大量产氢产乙酸菌的存在为ABR系统的稳定运行创造了有利条件。2#、3#隔室的颗粒污泥在葡萄糖和乙酸中的产甲烷活性较高，说明颗粒污泥中以利用乙酸的产甲烷菌为主。4#隔室的污泥利用甲酸的产甲烷活性很低，主要原因是该隔室内的底物主要为乙酸、丙酸。

　　2.3 辅酶F420含量的测定

　　从各隔室污泥辅酶F420含量的测定结果(见表2)可知，沿各隔室F420的含量逐渐升高，这与产甲烷活性的变化趋势相同，4#隔室颗粒污泥的辅酶F420含量明显高于1#隔室，主要是由于1#隔室的菌群以产酸菌为主，而4#隔室的以产甲烷菌为主，可见F420能反映颗粒污泥的产甲烷活性。

　　表2　辅酶F420的含量μg/gd

　　3 结语

　　① ABR各隔室不同的环境(pH、底物类型及浓度)形成了不同的微生物群落，1#隔室颗粒污泥表面的优势菌是产酸菌，内部的优势菌是利用Ｈ2的产甲烷菌，2#、3#隔室的颗粒污泥中没有明显的优势菌，菌群多样复杂，4#隔室的颗粒污泥中的优势菌是索氏甲烷菌。

　　② ABR各隔室颗粒污泥利用葡萄糖、甲酸、乙酸和丙酸的产甲烷活性不同，说明各隔室颗粒污泥的微生物组成不同，前面以产酸菌为主，后面以产甲烷菌为主。

　　③ ABR反应器中颗粒污泥的辅酶F420沿隔室升高，与产甲烷活性的变化趋势一致，即F420能反映颗粒污泥的产甲烷活性。